佛罗里达国际大学《AMT》：氮化硼-石墨烯纳米片状泡沫，用于太空探索等

成果简介

随着太空探索的推进，对轻质、多功能材料的需求大幅增长。本文，佛罗里达国际大学Arvind Agarwal等研究人员在《ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGIES》期刊发表名为“Smart Foams: Boron Nitride-Graphene Nanoplatelet Foams for Tunable Radiation Shielding and Strain Sensing”的论文，研究开发了不同氮化硼纳米片（BNNP）与石墨烯纳米片（GNP）比例的混合二维（2D）材料泡沫，这种泡沫具有双重功能：中子辐射屏蔽和应变传感器。

研究了成分、加工、微观结构及其产生的中子屏蔽和应变传感性能之间的关系。通过调整 BNNP:GNP 的成分（1:0、3:1、1:1、1:3 和 0:1），可以对混合泡沫的性能进行微调。在中子辐射屏蔽方面，混合泡沫的质量吸收系数随着 BNNP 的添加而增加，纯 BNNP 泡沫的质量吸收系数达到 14.9 cm² g^-1。这一质量吸收系数是纯 GNP 泡沫的 1.6 倍，几乎是铝的 75 倍。利用基于蒙特卡罗平台的 Geant4 对辐射屏蔽特性进行了模拟，模拟结果显示出与实验结果相似的趋势。混合泡沫的应变传感特性（通过其计度系数测量）随着 GNP 浓度的增加而呈指数增长。从电绝缘的 BNNP 泡沫开始，当 GNP 浓度达到 25% 时，量规因子增加到 53.4，而纯 GNP 泡沫的量规因子则达到 201.8。这些发现凸显了混合二维材料泡沫在空间探索方面的多功能性。

图文导读

图1、BNNP/GNP 混合泡沫微观结构：a) 100 BNNP，b) 75 BNNP – 25 GNP，c) 25 BNNP – 75 GNP，d) 100 GNP。

图2、BNNP/GNP 混合泡沫的铟箔放射性衰变

图3、a) 氮化硼和 b) 石墨烯的中子相互作用机理。

图4、Geant4 模拟 BNNP/GNP 混合泡沫的中子屏蔽特性。

图5、BNNP/GNP 混合泡沫的电阻随压缩机械应变的相对变化。

图6、BNNP/GNP 混合泡沫的应变感应机制。

小结

我们通过冷冻干燥技术开发出了超轻质的 BNNP/GNP 混合泡沫，其密度为 0.05 ± 0.005 g cm^-3，孔隙率为 97.5%。这些由不同成分的 BNNP 和 GNP 制成的混合二维材料泡沫具有双重功能：中子辐射屏蔽和应变传感。本研究系统分析了泡沫成分和微结构如何影响应变传感和中子辐射屏蔽性能的可调性。具体来说，我们发现泡沫的应变灵敏度可通过增加网络中 GNP 的浓度进行微调，从而产生 0.0 至 201.8 的量规因子。通过提高泡沫支架中的 BNNP 浓度，可以增强这些泡沫的中子屏蔽能力。这种调整可实现 9.33 至 14.89 cm² g^-1 的质量吸收系数。我们还研究了在设计这些泡沫时如何权衡辐射屏蔽和应变敏感性。这种对其特性的控制为定制这些混合泡沫以满足各种应用（尤其是太空探索及其他应用）的特定要求提供了令人兴奋的可能性。

文献：https://doi.org/10.1002/admt.202400106