新型防护罩用一层材料解决了太空时代的难题

研究团队将能阻挡电磁波的碳纳米管（CNTs）与能吸收中子的氮化硼纳米管（BNNTs）相结合，制备出一种复合材料，能够在单层薄层中同时阻挡这两种辐射。此外，通过与聚合物（PDMS）结合，该团队实现了轻量化和柔性的形态，展示了这种材料演变为适用于各种结构和设备的下一代屏蔽材料的潜力。图片来源：韩国科学技术研究院

屏蔽材料在现代关键工业领域至关重要——例如航天器、核电站、半导体装备和先进医疗设备——用于保护装备和人员免受电磁波和辐射的侵害。特别是随着太空探索的势头日益增强——例如阿尔忒弥斯2号于2日成功发射——能够承受极端环境的下一代屏蔽技术的重要性日益凸显。

然而，电磁波和中子辐射具有不同的特性，它们会导致半导体等关键部件出现故障，必须使用不同的材料进行屏蔽。这在历史上导致了重量增加和结构复杂等问题。这些局限性给航天工业带来了更大的负担。

为解决这一难题，由韩国科学技术研究院（KIST）极端环境屏蔽材料研究中心的朱永浩博士领导的研究团队提出了一种新的解决方案。

该团队研发出了世界上第一种创新复合屏蔽材料，它能利用单层超薄膜——其厚度比人类头发还细——同时阻挡电磁波和中子，同时还具有橡胶般的延展性，适合3D打印。该研究发表在《先进材料》期刊上。

这种新材料的关键在于两种纳米管的结合。具有高导电性的碳纳米管（CNTs）能够吸收和反射电磁波，而富含硼的氮化硼纳米管（BNNTs）则能有效捕捉中子。

由于这两种材料自然形成一种“壳结构”，它们相互包裹，使得单层薄膜现在能够同时阻挡这两种类型的危害。因此，即使厚度比人类头发还薄，该材料仍能实现阻挡99.999%的电磁波并将中子减少约72%的性能。

其技术复杂性也值得注意。这种材料具有卓越的弹性，即使拉伸至原长的两倍以上仍能保持性能，并且可以3D打印成各种形状，例如蜂窝结构。

事实上，蜂窝结构的屏蔽性能已被证实比相同厚度的平面材料高出15%。此外，它还具有经过验证的耐用性，能够承受从-196°C到250°C的温度范围，使其即使在太空等极端环境中也能稳定使用。

该材料具有碳纳米管包裹氮化硼纳米管的结构，能有效同时屏蔽电磁波和中子。电磁波通过内反射和吸收被衰减，而中子则通过与硼反应被阻挡。此外，它在-196°C的超低温至250°C的高温范围内均能保持性能，即使经过反复变形，其功能依然稳定，与现有材料相比，其通用性得到了显著提升。图片来源：韩国科学技术研究院

研究团队使用由纳米材料和聚合物混合而成的墨水，通过3D打印（DIW）技术制造出各种结构。这种方法能够实现蜂窝结构等复杂形状，同时可根据设计调整厚度和性能。特别是通过设计内部结构，可进一步增强电磁波屏蔽性能，该技术可扩展为适用于电子设备保护、航空航天和可穿戴设备等各行业的定制化屏蔽解决方案。图片来源：韩国科学技术研究院

这项研究超越了单一材料的开发，为整个行业开辟了新的可能性。

凭借一种材料同时阻隔电磁波和辐射的能力，现在可以在卫星、空间站、核设施、癌症治疗装备和可穿戴防护装备等多个领域实现设计简化和减重。

定制屏蔽结构与3D打印相结合的设计是一项核心技术，它将改变未来航天、能源和医疗行业的范式。

韩国科学技术院的朱永浩博士表示：“这种材料代表了屏蔽技术的全新概念——它像胶带一样薄，像橡胶一样柔韧，却能同时阻挡电磁波和辐射。”

他补充道：“这项技术对于确保先进材料供应以及建立实现太空时代所需的国内生产基础设施具有重要意义。我们计划通过结构设计优化进一步提升其性能，并积极推动其在实际工业场景中的应用。”