针对空间任务应用的辐射屏蔽复合材料优化研究
一、 作者、机构与发表信息
本研究由哈尔滨工业大学宇航学院及极端环境材料与器件技术创新中心的 Yu Han, Tao Ying, Jianqun Yang, Yang Zhao, Xingji Li 共同完成。其中，Jianqun Yang 为 IEEE 会员，Xingji Li 为 IEEE 高级会员。该研究成果以题为《Optimization of Radiation Shielding Composite Materials Tailored for Space Mission Applications》的学术论文形式，发表于 IEEE Transactions on Nuclear Science 期刊，发表于2025年5月（第72卷，第5期）。该刊是核科学与辐射效应领域的权威期刊。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于空间辐射防护与航天材料科学交叉领域。随着航天任务对成本效率要求的提升，商业现货（COTS）电子电气机电光电（EEEE）组件在航天器中的应用日益广泛，但这些组件通常对空间辐射环境更为敏感。空间中的高能粒子（主要是电子和质子）会对电子系统造成累积性的总电离剂量（Total Ionizing Dose, TID）损伤，影响任务可靠性。传统的辐射屏蔽设计主要依赖铝等均质材料或聚乙烯/钽等多层材料，但后者因各层热膨胀系数差异大，在空间冷热交替环境中易受损。因此，开发新型轻质高效的复合材料成为重要方向。
然而，不同轨道（如低地球轨道LEO、中地球轨道MEO、地球静止轨道GEO等）的辐射粒子能谱存在显著差异，这意味着没有一种“万能”的屏蔽材料能对所有轨道环境都最优。以往的研究往往未针对特定轨道的辐射环境特性进行材料设计优化。本研究旨在填补这一空白，其核心目标是：通过模拟与实验相结合的方法，系统研究不同材料配比的复合材料在五种典型地球轨道辐射环境下的屏蔽效能，为特定空间任务筛选和优化辐射屏蔽复合材料提供定量化的设计依据，在确保可靠性的同时实现成本与质量的最小化。
三、 详细研究流程与方法
本研究包含四个主要步骤：复合材料设计与制备、地面实验验证、辐射环境建模与模拟、以及基于模拟结果的屏蔽效能对比与优化分析。研究流程严谨，从基础材料到复杂空间环境进行了多尺度验证。
1. 复合材料设计与制备： 研究团队开发了一种以环氧树脂为基体的新型抗辐射复合材料。为了平衡质子与电子的屏蔽需求，在基体中混合了两种低原子序数（低-Z）材料——超高分子量聚乙烯（PE）和六方氮化硼（BN），以及一种高原子序数（高-Z）材料——三氧化二铋（Bi2O3）。固定环氧树脂的质量分数为30%，以保障材料的可制造性。PE和BN以1:1的质量比加入以增强对质子的屏蔽，而Bi2O3则用于增强对电子的屏蔽能力。 为了系统研究材料配比的影响，团队设计了六种不同Bi2O3含量的复合材料样品（编号No1至No6），其Bi元素原子百分比从0.82%递增至13.44%。此外，为了对比更高铋含量的效果，在模拟中额外加入了一个理论上不可制造的样品No7（Bi原子百分比16.65%）。作为参照，纯铝（Al）和纯钨（W，代表性高-Z材料）的屏蔽性能也被纳入模拟比较。
2. 地面实验验证方法： 为了验证后续模拟方法的准确性，研究进行了地面电子辐照实验。实验在黑龙江省科学院进行，使用1 MeV能量的电子源，通量为1×10^11 cm²·s⁻¹，累积注量为1×10^14 cm²。研究人员制备了2×2 cm的屏蔽材料样品（铝和No4复合材料）。实验采用交替堆叠的方式：将屏蔽材料薄片与FWT-60辐射变色剂量计（厚度42–52 µm）层层交替放置。铝层厚度为0.2 mm，No4复合材料层厚度为0.32 mm。通过测量每一层剂量计吸收的剂量，可以获得材料随厚度增加的剂量衰减曲线，从而评估其屏蔽效能。
3. 模拟方法与辐射环境建模： 本研究的关键在于采用正向蒙特卡洛（Forward Monte-Carlo, FMC）模拟方法，利用自主开发的极端环境辐射效应技术计算机辅助设计（ERETCAD）软件进行大规模计算。该软件能够模拟粒子在材料中的输运过程，包括电磁过程、强子相互作用、衰变过程等。 模拟的几何结构仿照实验设置：将屏蔽材料与硅（Si）剂量计薄膜（50 µm厚）交替堆叠，粒子源置于材料上方。粒子源可设置为单能垂直入射（用于与地面实验结果对比），也可设置为各向同性的空间辐射能谱。 研究聚焦于五种具有实际任务意义的典型地球轨道：低地球轨道（LEO，参数参考星链星座）、中地球轨道（MEO，参考伽利略导航星座）、低极地轨道（LPEO）、赤道中地球轨道（EMEO）和地球静止轨道（GEO）。模拟假设任务时长为1年。为精确模拟这些轨道的辐射环境，研究采用了权威模型： * 地球辐射带（ERB）电子环境：使用AE9 v1.50模型的95百分位模式。 * 地球辐射带（ERB）质子环境：使用AP9 v1.50模型的95百分位模式。 * 太阳高能粒子（SEP）质子环境：使用SAPHIRE模型（95%置信水平，考虑太阳活动期和地磁截止效应）。
4. 数据分析与优化流程： 首先，将No4复合材料和铝的模拟TID结果与地面实验测量结果进行对比，验证FMC模拟方法的准确性。确认方法可靠后，对所有设计的复合材料（No1-No7）、铝和钨，在五种轨道的复合辐射环境（ERB电子+ERB质子+SEP质子）下进行TID模拟计算。通过分析不同材料在不同等效铝厚度下的TID值，评估其屏蔽性能优劣。最终，根据特定轨道环境的辐射特性（电子主导还是质子主导）和任务对TID耐受阈值的要求，给出针对不同轨道、不同屏蔽厚度需求下的最优材料选择方案。
四、 主要研究结果
1. 模拟方法验证结果： 图2展示了铝和No4材料在1 MeV电子辐照下的实验与模拟剂量衰减曲线对比。两条曲线（实验虚线、模拟实线）吻合度很高，这表明本研究采用的3D FMC模拟方法能够准确预测材料的辐射屏蔽性能，为后续基于模拟的优化设计提供了可信基础。
2. 不同轨道辐射环境特性： 模拟结果（图3）清晰揭示了五种轨道辐射环境的巨大差异： * 电子环境（ERB）：GEO和MEO轨道的电子通量比LEO高2个数量级；在接近10 MeV的高能段，MEO和GEO通量相似，且比LEO高3个数量级以上。LPEO电子谱与LEO相似但略高。EMEO电子环境独特，在1 MeV以下通量最高，但在1 MeV以上急剧下降。 * 质子环境（ERB）：LEO、LPEO和EMEO的质子能量可高达10³ MeV，而MEO和GEO的质子能量不超过10 MeV，贡献可忽略。 * 质子环境（SEP）：MEO和GEO的太阳质子谱相似（GEO略高），LPEO受极区太阳质子影响，LEO因强地磁屏蔽仅有少量高能质子，EMEO则没有太阳质子。 这些差异直接导致了不同轨道下TID主导粒子的不同，进而影响最优屏蔽材料的选择。
3. 材料对不同粒子的屏蔽效能： * 对电子的屏蔽（图4）：在MEO和GEO等电子辐射主导的环境中，TID水平显著高于LEO和LPEO。对于所有复合材料，随着Bi2O3含量（即高-Z元素Bi比例）的增加，对电子的屏蔽效能逐渐增强。在相同质量厚度下，No5复合材料对电子的屏蔽性能与纯钨（W）相似。 * 对质子的屏蔽（图5，图6）：在LEO、LPEO和EMEO等质子贡献显著的环境中，趋势相反。No1材料（低-Z元素比例最高）对质子的屏蔽性能最好，而纯钨（W）最差。随着Bi2O3比例增加，质子屏蔽效能下降。No5复合材料的质子屏蔽性能与铝相当。 这一结果符合物理原理：低-Z材料（轻原子核）能更有效地通过电离阻止质子；而高-Z材料（重原子核）能更有效地通过散射和产生轫致辐射后的自屏蔽来防护高能电子。
4. 针对不同轨道的最优材料解决方案： 这是本研究的核心发现，即最优屏蔽材料取决于具体轨道环境和所需的屏蔽厚度（等效铝厚度）。 * 对于MEO和GEO任务（图10）：辐射环境由高能电子绝对主导，质子贡献可忽略。因此，应始终选择对电子屏蔽最好的材料，即高-Z元素比例最高的No6（及No7）复合材料。 * 对于LEO、LPEO和EMEO任务（图7，8，9）：情况更为复杂。在屏蔽层较薄（质量厚度较小）时，电子贡献的TID占主导，此时高-Z材料（如No7， No6）表现最佳。随着屏蔽层增厚，电子被有效衰减，质子贡献的TID成为主导，最优材料逐渐向低-Z材料（如No1， No2）过渡。例如： * LEO（表III）：在等效铝厚度为0.2 mm时，No7最优；厚度增至2.0 mm时，No5最优。在2 mm等效厚度下，最优复合材料可比铝降低TID达57.86%。 * LPEO（表IV）：最优材料从No6过渡到No1。在0.6 mm等效厚度下，最优材料可比铝降低TID达63.98%。 * EMEO（表V）：趋势最明显，在0.2 mm厚度时No6优于No7，到0.8 mm以上则完全由质子主导，No1最优。在0.4 mm等效厚度下，最优材料可比铝降低TID达67.37%。
五、 研究结论与价值
本研究得出以下重要结论： 1. 空间辐射环境具有高度轨道特异性：LEO、LPEO和EMEO的辐射环境与MEO、GEO存在显著差异。即使MEO和GEO的ERB电子能谱相似，其TID剂量水平也不同（MEO高于GEO）。 2. 复合材料屏蔽性能具有“粒子依赖性”和“厚度依赖性”：复合材料中高-Z与低-Z元素的比例决定了其对电子和质子的不同屏蔽能力。这导致其在不同的轨道辐射环境和不同的屏蔽厚度下，表现出不同的性能排序。不存在一种“放之四海而皆准”的最优材料。 3. 仿真驱动设计的重要性：地面单能粒子实验无法复现空间复杂的能谱环境。基于FMC的TID模拟方法成为屏蔽材料定量化、精细化设计的必备工具。 4. 提供了定量化选材指南：研究最终为五种典型轨道，在不同等效铝厚度需求下，给出了具体的最优材料编号（No1-No7），并量化了其相对于铝的TID降低百分比和质量减少优势。例如，在LPEO环境下，为达到相同的TID水平，使用1.4 mm等效厚度的No4材料比使用1.6 mm等效厚度的铝质量减轻12.5%，且TID还降低4.9%。
本研究的科学价值在于首次系统揭示了复合材料空间辐射屏蔽性能与轨道环境、材料配比、屏蔽厚度的复杂耦合关系，建立了从环境建模、材料设计到效能评估的完整分析框架。其应用价值在于为航天工程师提供了一种基于仿真的、定量化的辐射屏蔽材料选型与优化方法，能够针对具体任务需求（轨道、寿命、TID容限、质量约束）进行精准设计，从而在保证可靠性的前提下，有效降低航天器的发射成本和提升有效载荷能力。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究在讨论部分还展望了未来工作，包括将该方法应用于木星等强磁场行星的辐射环境（其辐射带更为严酷），以及探索在环氧基体中添加其他类型材料（如氢化材料）对屏蔽性能的影响。此外，作者提到环氧基复合材料的一个优势是可塑性强，能够针对航天器结构屏蔽的薄弱部位进行“点对点”的补充屏蔽，这与他们之前关于屏蔽结构优化设计的研究（参考文献[9]）相结合，有望实现从系统结构到局部材料的全局优化屏蔽设计。这指明了该领域一个富有前景的交叉研究方向。