随着中国航天任务的不断推进，航天器的寿命要求越来越长，空间环境及其效应对航天器造成的损伤也将变得日渐突出，进而成为影响航天器长寿命、高可靠的关键因素。空间辐射环境是空间环境对航天器及其材料影响较大的环境之一，主要包括带电粒子或高能光子，其中，高能光子如X射线、热中子、γ射线作用会导致高分子材料发生电离，造成共价键断裂，产生降解反应，同时形成大量具有强化学活性的自由基，进而引发交联反应，而这些反应使高分子材料出现变脆、失去弹性、脱落、变软发黏、强度衰退、出气等效应，从而引起航天材料或器件的暂时性损伤或永久性故障。随着航天材料中应用的轻量、稳定、长寿命功能化高分子材料越来越多，在轨寿命要求越来越长，尤其是未来空间太阳能电站、深空探测基地等型号和任务的提出，对高分子材料的抗辐射性能需求越来越迫切。
国内外对高分子材料的在轨服役性能的关注大多数是研究极端空间环境对高分子材料的作用，如原子氧、紫外、带电粒子等对高分子材料如聚酰亚胺、聚四六氟乙烯、特氟龙等的光学、电学、力学等性能影响。在辐射防护方面，也对部分材料的电子辐射防护能力进行了研究，并对稀土掺杂改性用于提升航天材料的抗辐射性能进行初步研究。
1 稀土元素的抗辐射机制
稀土元素是指元素周期表中镧系元素和钪、钇总计17种元素的总称，镧系元素的原子序数位于57～71之间，原子半径较大，原子价电子构型为4f0～145d0～16s2，其最常见的+3价离子中5d和6s层全空，处于内层的4f轨道上的电子数未填满，这为内层电子的多次跃迁提供了可能。外层吸收边范围为38.9～63.3keV，也赋予稀土元素较高的高能粒子吸收截面，如稀土钆(Gd)元素热中子吸收截面高达48869barn，是常用的硼(B)元素的63倍之多。表1为稀土元素电子结构及能量吸收边。
研究表明，材料对空间带电粒子辐射的防护与阻止本领相关，阻止本领是指带电粒子通过单位路径时的能量损失。阻止本领的大小与下列因素有关：(1)入射粒子速度;(2)入射粒子的能量;(3)入射粒子的电荷数，与入射粒子的电荷数的平方成正比，入射粒子速度相同时，粒子的带电荷数越大，则其阻止本领越大;(4)靶原子的序数和密度，与靶原子的序数和密度的乘积成正比，原子序数越高和密度越大的物质其阻止本领越大。前3个因素与空间带电粒子相关，第4个因素与靶材性能相关，而稀土的高原子序数和大密度特性符合材料抗辐射原理。
此外，高能光子γ射线与抗辐射材料的相互作用主要有光电效应、康普顿效应、电子对效应，三者能量之和组成γ射线总能量。抗高能光子辐射的材料有效性与材料原子序数成正比，而稀土的高原子序数正好符合抗高能光子辐射材料特性，是一种潜在优异抗辐射材料。
近年来，稀土元素因其较高吸收截面和原子序数，使其在粒子和高能光子抗辐射材料领域的应用研究迅速发展。目前，掺杂型稀土元素作为抗辐射材料在无机材料与有机材料领域得到广泛研究。稀土元素与纤维、塑料及橡胶等材料复合，形成轻质、无铅、具备良好抗辐射性能的材料，这类复合材料特别适用于对质量和柔性有特定要求的应用场景。
2 稀土抗辐射有机纤维材料
长期以来，为满足穿戴和抗辐射的使用要求，在聚合物中加入细化的小颗粒铅，将其纤维化后经过纺织形成衣物。虽然这种方法解决了透气性、屏蔽性难点，但依然存在接触性铅毒问题。而稀土作为一种低毒环保并具有抗辐射性能的元素则受到国内外科研人员重点关注。当前，国内外均已开展稀土复合抗辐射纤维材料的研究，并取得了较大研究进展。
3 稀土抗辐射塑料材料
耐热耐老化性能优异的塑料，如有机透明玻璃，聚酰亚胺，聚烯烃等，具有光学透明性、比重小、高温稳定、力学性能优异、化学稳定、电气性能良好、尺寸稳定和使用方便等优点，广泛应用于航天器热控结构及太阳帆等充气展开结构中。由于长期暴露在航天器表面，受到空间环境效应的影响，其分子结构发生改变，力学性能也相应变化，导致结构件损伤或失效。在20世纪60年代，苏联、日本、美国和德国等国家已针对硼、钨、稀土等元素对高分子复合材料的改性进行了大量研究，以提高其抗辐射性能，并已申请多项相关专利。尽管中国在稀土抗辐射高分子塑料材料的研发起步较晚，但近年来已成为重点研究方向之一，并取得了显著进展。高性能的稀土改性材料在航空、航天及防辐射领域展现出巨大的应用潜力，符合国家在新材料开发方面的战略需求，具有重要的科学和实际意义。
4 稀土抗辐射弹性体材料
橡胶广泛应用于航空航天领域，如运载火箭、卫星、飞船等航天器的各种结构部件。与一般工业领域不同，这些橡胶要经历空间轨道环境、再入环境等，承受空间温度、高真空、超低温、热循环、紫外线、带电粒子、原子氧等特殊环境的考验。特别对橡胶在轨耐辐射老化性能要求严格，在轨期间必须避免老化脱落、出气、断裂等现象出现，确保航天器的正常运行。为此，国内外以稀土作为抗辐射剂从材料纳米化、复配使用等多个角度对橡胶的抗辐射性能进行深入研究。
5 其他稀土抗辐射高分子材料
此外，稀土元素作为抗辐射剂也应用于其他高分子材料中，如环氧树脂、聚乙烯醇(PVA)、壳聚糖等，虽然这些材料目前主要应用于核系统、医学领域等，但这些研究拓展了稀土抗辐射应用领域，未来有望在航天航空领域得到推广应用。
6 未来发展方向
高分子材料因其轻质、多功能和易加工等优点，已在航空航天领域得到广泛应用。然而，空间辐照环境的变化对高分子材料的抗辐射性能提出了更高的要求。稀土元素作为一种无毒、安全且环保的抗辐射材料，具有良好的应用潜力。针对当前稀土元素在高分子基复合材料应用研究中的不足，提出以下建议：
(1)损伤机理研究稀土抗辐射高分子基复合材料在多因素叠加辐射作用下，其损伤机理与单因素服役环境存在较大的差别，开展其抗多重辐射损伤机理研究具有重要的科学意义。
(2)稀土粒子纳米化稀土元素纳米化有助于其性能的提升，但在纳米化稀土的制备及其在高分子基复合材料中的均匀分散性方面仍存在诸多挑战。因此，亟需深入研究新技术与新工艺，以促进稀土纳米化的实现及其在高分子复合材料中的有效分散，从而增强有机与无机相的结合性能，更好地发挥稀土的抗辐射功能。
(3)高分子基复合材料设计研究加强对单一稀土元素掺杂向多种稀土元素组合掺杂在抗辐射研究中的转变，以满足更复杂空间服役环境的需求。同时，加大对高分子基复合材料设计的研究，使稀土元素性能与材料特性更为契合，以实现两者的功能叠加。此外，应注意控制复合材料的体积和质量，避免因过大或过重带来不利影响。
(4)地面模拟系统研究针对稀土抗辐射高分子基复合材料的空间应用场景，需将地面模拟真实度与空间环境相接近，并进一步完善地面模拟加速验证实验方法，建立一套可靠系统性地面模拟实验体系。总之，通过对稀土抗辐射高分子基复合材料功能的提升，建立完善可靠的地面模拟加速测试体系，让稀土元素在航空航天抗辐射防护上发挥更重要的作用，对中国探月登火等未来航空高分子基复合材料的发展具有重要的意义。
