随着深空探测和载人航天的快速发展，如何在复杂宇宙射线场中实现高效、轻质、低二次辐射的γ射线防护，已成为材料领域的关键挑战。现有研究往往难以同时兼顾衰减效率、面密度/厚度、柔韧性以及二次γ射线抑制。针对上述难题，北京化工大学刘勇团队联合吉林大学王策团队、清华大学胡平团队在Nanomaterials 期刊发表综述，系统总结了γ射线屏蔽纳米材料的研究进展，重点面向深空及混合辐射环境，提出了多层/梯度结构、微纳填料协同、纤维网络等多尺度结构设计策略，用于抑制二次γ射线，并勾勒出面向柔性、可穿戴、无铅屏蔽体的成分-结构-形貌耦合设计路线。该综述还系统梳理了蒙特卡罗模拟工具与实验的协同方法，为下一代无铅γ射线屏蔽可穿戴材料提供了设计规则和规模化路径。

图形摘要

综述内容

全文围绕γ射线屏蔽材料的设计与应用，从三个方面展开：1) γ射线与物质的相互作用机制及材料选用的物理基础；2) 候选元素 (铅、铋、钨、稀土) 的屏蔽性能、工程适用性及多元素协同策略；3) 复合材料 (尤其聚合物基) 的研究进展，涵盖纳米填料效应、多层/梯度结构、纤维织物网络等结构设计对抑制二次γ射线和保持柔性的作用。

第一部分，γ射线与物质的相互作用机制。γ射线与物质的相互作用主要有光电效应、康普顿效应、电子对效应和相干散射，其中前三者贡献最大。在低能区 (约30–200 keV) 光电效应占主导，高原子序数 (Z) 材料吸收能力强；中能区 (200–1000 keV) 康普顿散射为主，依赖于材料的电子数密度；高能区 (>1.02 MeV) 电子对效应成为主要机制，其发生概率与Z²成正比 (图1)。因此，提高材料的原子序数和密度是γ射线屏蔽设计的核心思路，高Z元素成为主要候选对象。

图1. (a) 光电效应；(b) 康普顿效应；(c) 电子对效应；(d) 不同能量范围内光子与物质的主要相互作用；(e) 吸收边现象。

第二部分，候选元素选择与工程考量。综述从屏蔽性能、毒性、加工性、吸收边特性以及供应链稳定性、可回收性和成本等维度，系统比较了铅、铋、钨、稀土元素。铅虽廉价、回收成熟、屏蔽性能优异，但存在明确的神经毒性且受严格环保法规限制；铋被认为是“绿色重金属”，其氧化物Bi₂O₃在混凝土和环氧体系中与铅的屏蔽能力相当，但铋几乎全部为伴生矿，供应弹性小且价格较高；钨密度高、对高能γ射线屏蔽能力强，但加工困难且被列为关键矿产，供应链风险高；稀土元素 (如Gd、Ce、Sm) 可利用其K吸收边补偿铅、铋的弱吸收区，从而拓宽复合材料的有效屏蔽能量范围，但开采分离过程复杂且价格波动大。综述强调，实际应用中需根据具体能区要求和工程约束，选择合适的元素组合或进行多元素协同设计。

第三部分，复合材料研究进展。在介绍各类复合材料之前，综述首先点明蒙特卡罗模拟工具 (如MCNPX、Geant4、XCOM等) 的关键作用：多数研究中模拟得到的质量衰减系数、半值层与实验数据吻合良好，能缩短材料开发周期、降低辐射实验风险。在此基础上，聚合物基复合材料 (环氧、橡胶、聚烯烃、乙烯基聚合物等) 因其轻质、易加工和可设计性强，成为重要载体。在聚合物基体中添加高Z纳米填料 (如MgO、Bi₂O₃、WO₃) 相比微米填料分散更均匀，尤其在低能区可显著提升屏蔽效率。例如，环氧树脂中加入纳米MgO后，半值层随填料含量增加而明显降低，且纳米体系的屏蔽性能优于微米体系 (图2)；橡胶基复合材料也显示出高Z纳米填料的优势，并天然适用于防护服、手套等可穿戴场景。

图2. (a) 环氧树脂-MgO复合材料；(b) 环氧树脂基样品的半值层 (HVL) 数值

然而，高Z材料在屏蔽过程中可能因非弹性散射或辐射俘获产生二次γ射线，削弱综合防护效果。为抑制二次γ射线，综述提出了多层/梯度结构策略：将不同吸收边的材料组合，可拓宽有效屏蔽能量范围。例如，将WO₃层 (K吸收边69.5 keV) 与CeO₂层 (K吸收边40.449 keV) 组合，使高能光子先经钨衰减、再被铈进一步吸收，实现吸收边互补，增强宽能区的整体衰减效率。此外，纤维织物网络是另一类重要结构设计：采用钨单丝/钨合金纤维作为纬纱、化学纤维或天然纤维作为经纱，可制备兼具抗冲击性和良好屏蔽性能的织物，既能单独使用也可作为复合材料的增强体，有效缓解传统钨材料因密度过高而导致的柔性不足问题。上述结构设计在抑制二次γ射线的同时，维持了材料的柔性与衰减效率。

研究总结及展望

本文综述系统回顾了面向深空和复杂辐射环境的γ射线屏蔽纳米材料的研究现状，并从成分、结构、形貌三个耦合维度总结了设计策略，明确提出：单纯增加高Z填料含量已无法满足工程需求。未来的发展方向包括：(1) 多能区整体设计与二次辐射抑制，利用吸收边协同和梯度多层结构；(2) 多尺度结构 (核壳、纤维网络、多孔/蜂窝) 与多物理场耦合；(3) 柔性、可穿戴及可重构系统，引入自修复或形状记忆聚合物以及低熔点石蜡基可塑屏蔽体；(4) 可持续制造、数据驱动筛选和标准化评价体系；(5) 跨学科协作与工程示范。该综述为开发用于航空航天和医疗防护的下一代轻质、柔性、无铅γ射线屏蔽材料提供了系统的理论依据和设计路线图。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2079-4991/15/23/1799#

• 通讯作者

刘勇

北京化工大学

刘勇，北京化工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。其主要研究方向聚焦于纳米材料与能源催化，具体包括燃料电池、电解水等领域的关键催化材料设计与制备。刘教授发表期刊文章220多篇，出版专著7部，获授权专利68项，其中转让3项、专利实施许可11项。他获国家科技进步二等奖1项，省部级技术发明一等奖1项、二等奖3项，专利优秀奖2项等，是全国石油和化工行业优秀科技工作者。

• 相关特刊

本篇文章来源于Nanomaterials 期刊北京化工大学刘勇教授主持的特刊“Carbon Nanocomposites for Energy"。欢迎相关领域学者关注、阅读和投稿：

了解特刊详情：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials/special_issues/62W9574D7T

• Nanomaterials 期刊介绍

主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK

期刊主题涵盖纳米材料 (纳米粒子、薄膜、涂层、有机/无机纳米复合材料、量子点、石墨烯、碳纳米管等)、纳米技术 (合成、表征、模拟等) 以及纳米材料在各个领域的应用 (生物医药、能源、环境、电子信息等)。

2025 Impact Factor：4.8 (JCR Q2*)

2025 CiteScore：10.3 (Scopus Q1*)

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* JCR Q2 at "Physics, Applied", "Chemistry, Multidisciplinary", "Materials Science, Multidisciplinary" and "Nanoscience and Nanotechnology" categories

* Scopus Q1 at "General Chemical Engineering" and "General Materials Science" categories

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