面向医疗、电子器件和航空航天场景的新一代防护体系，迫切需要可保护人体免受多光谱辐射伤害的轻质柔性材料。然而，要在超轻纤维结构中同时实现高效的宽波段辐射衰减与优异的热防护性能，仍是一项重大挑战。

近日，北京化工大学刘勇教授联合吉林大学王策教授团队，开发出一种兼具热防护性能的柔性超轻核/双壳Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN纤维复合材料。通过在静电纺丝制备的GO/PAN纤维核表面构建高原子序数的W₁₈O₄₉/Bi双壳层，该复合材料的光子吸收能力得到提升，同时能高效阻隔多光谱辐射。

该材料具备 0.40 g/cm3的超低密度，其近红外-可见光波段透过率低于 1%、紫外波段透过率仅 0.01%，对 33 KeV的 X 射线衰减率达 95.46%（质量衰减系数为 17.12 cm2 /g）。得益于分级多孔纤维骨架与无机壳层的协同阻隔效应，该复合材料展现出优异的隔热性能 —— 在 80℃环境下温差可达 43.9℃，热导率低至 33.5 mW/（m・K），耐热温度高达 284℃。此外，该复合材料的力学稳定性优异，即便经过 3000 次弯曲循环，仍能保持良好的结构完整性与稳定的辐射屏蔽性能。本研究为复杂实际辐射环境中的先进多光谱防护技术，搭建了极具应用前景的研究平台。相关研究内容以“Outstanding Multispectral Radiation Shielding and Thermal Protection of Flexible Ultralight Core/Double-Shell Fiber Composites”为题目，发表在期刊《Small》上。

图 1 形貌与结构演变。(a) 核/双壳结构 Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 纤维复合材料的制备工艺示意图。(b) PAN、(c) GO/PAN、(d) W₁₈O₄₉/GO/PAN及 (e) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN的SEM图像。(f、g) 分别为 d、e 中标注区域的SEM放大图像。(h) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN的TEM图像、(i) HRTEM图像及 (j) EDS元素分布图谱。

图 2 结构表征与界面结构。(a–c) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料的 X 射线衍射、拉曼及傅里叶变换红外光谱图；(d) W₁₈O₄₉/GO/PAN 与 Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料的 X 射线光电子能谱全谱图，以及 (e) W 4f、(f) Bi 4f 和 (g) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料 O 1s 的高分辨 X 射线光电子能谱图；(h、i) 40~90 赫兹下介电常数与介电损耗的变化曲线。

图 3 光学屏蔽与热防护性能。(a–d) 样品的近红外 - 可见光透过率、吸光度及反射率光谱图；(e–g) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料在加热板上的红外热成像图及温度变化曲线；(h) 样品的热导率数据；(i) 样品的热重分析曲线。

图 4 紫外屏蔽性能及抗紫外稳定性。(a–d) 样品的紫外光透过率、吸光度、反射率光谱图及紫外线防护系数（UPF）；(e) 50 元人民币纸币在紫外光照射下的照片；(f–h) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料经 365 nm紫外光连续照射 9 小时后的紫外光透过率、吸光度、反射率光谱图。

图 5 X 射线衰减特性及多尺度能量耗散机制。(a) GO含量对质量衰减系数（μ/ρ）的影响；(b) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料的 X 射线衰减率随样品厚度与光子能量的变化关系；(c) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料的质量衰减系数（μ/ρ）与Al、Cu及铅玻璃的对比；(d) Bi、W及Pb对应的 K 吸收边位置；(e) X 射线屏蔽机制示意图；(f) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料与 WinXCOM 模拟均质模型的质量衰减系数（μ/ρ）对比；(g–i) X 射线在 GO/PAN、W₁₈O₄₉/GO/PAN、Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 三种复合材料中的能量沉积分布。

图 6 功能特性与力学耐久性。(a–c) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料的水接触角、水蒸气透过率测试结果及柔韧性实物图；(d) 弯曲循环测试装置图；(e) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料的弯曲循环测试实物图；(f–k) Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 复合材料在 0、1000、2000 和 3000 次弯曲循环后，近红外-可见光-紫外波段的透过率、反射率及吸光度光谱图。

结论

本研究制备出一种柔性超轻核/双壳结构 Bi/W₁₈O₄₉/GO/PAN 纤维复合材料，在单一柔性基体上实现了多光谱辐射屏蔽与热防护的双重功能。通过在 GO/PAN 纤维核表面构筑高原子序数的 W₁₈O₄₉/Bi 双壳层，该复合材料的近红外-可见光-紫外波段透过率低于 1%，对 33 KeV X 射线的衰减率达 95.46%，同时密度低至 0.40 g/cm3。其分级多孔纤维骨架与无机壳层屏障协同作用，赋予材料优异的隔热性能：热导率低至 33.5 mW/（m・K），在 80℃环境下可实现 43.9℃的温降，耐热温度高达 284℃。此外，该复合材料兼具优良的透气性、亲水性、柔韧性与力学稳定性，经 3000 次弯曲循环后，近红外-可见光-紫外波段的屏蔽效率仍保持在 99% 以上。总体而言，这种结构设计策略为研发适用于严苛环境的超轻多功能屏蔽材料提供了极具前景的技术路径。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202514907