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中國科技大學研制的太空防護仿生納米復合膜取得重大進展

2021-11-30 10:43:56 來源：快科技

據(jù)中國科技大學官方消息，該校研制的用于太空防護的仿生納米復合膜取得重要進展。

據(jù)介紹，聚酰亞胺薄膜擁有優(yōu)異的力學性能、絕佳的熱穩(wěn)定性、突出的耐化學性，是太空探測器“防護服”的絕佳材料。

但是，與其他碳氫聚合物一樣，聚酰亞胺材料在太空環(huán)境中極易受到原子氧的攻擊，導致其物理和力學性能急劇下降，而宇宙射線輻射、空間碎片撞擊等極端環(huán)境，也對其穩(wěn)定性提出了嚴峻的考驗，

對于這些問題，目前還沒有很好的解決方案。

中國科大俞書宏院士團隊研發(fā)了一種新型的針對太空防護應(yīng)用的聚酰亞胺-納米云母復合膜材料，采用獨特的仿生設(shè)計，使其力學性能、空間極端環(huán)境耐受性均得到了顯著提升。

研究人員受天然珍珠母的“磚-泥”層狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，巧妙地設(shè)計構(gòu)筑了具有雙層類珍珠層結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母納米復合膜，使其頂層分布有更致密的云母納米片。

借助云母的本征屬性和最為構(gòu)筑單元的優(yōu)點，在實現(xiàn)材料力學性能有效提升的同時，使其頂層對原子氧、紫外輻射和空間碎片等抵抗能力也得到了明顯提升。

研究人員利用前期開發(fā)的具有優(yōu)異力學性能和紫外屏蔽功能，而且可宏量制備的云母納米片（Nat. Commun. 2018, 9, 2974）作為構(gòu)筑基元，與聚酰亞胺前驅(qū)體共組裝，得到聚酰亞胺-云母納米復合膜，利用云母的優(yōu)越本征特性來彌補聚酰亞胺的不足。

區(qū)別于以往仿珍珠層納米復合膜的單層結(jié)構(gòu)設(shè)計，在該項研究中，研究人員通過改變組分配比，借助噴涂與熱固化聯(lián)用法構(gòu)筑了具有雙層類珍珠層結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母納米復合膜，使其頂層具有更致密的云母納米片（如下圖1a-f）。

聚酰亞胺-納米云母仿生復合膜制備過程示意圖及其微觀結(jié)構(gòu)、機械性能和原子氧耐受性

這種設(shè)計策略不僅實現(xiàn)了材料力學性能的有效提升，而且使其上表面對原子氧、紫外輻射和空間碎片等具有更高的抵抗性能。

研究表明，這種新型仿生復合膜的拉伸強度、楊氏模量和表面硬度分別為125 MPa、2.2 GPa、0.37 GPa，比純聚酰亞胺膜分別高出45%、100%、68%。

由于獨特的雙層類珍珠母結(jié)構(gòu)以及云母納米片的固有性能優(yōu)勢，所得雙層聚酰亞胺-云母復合膜表現(xiàn)出更優(yōu)越的原子氧耐受性（侵蝕率≈0.17×10-24 cm atoms），明顯優(yōu)于純聚酰亞胺薄膜、單層類珍珠母結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母復合膜和以往報道的聚酰亞胺基復合材料。

此外，其抗紫外線老化性（313 nm）和高溫穩(wěn)定性（380oC）相比純PI膜也得到了明顯提升。

這種具有雙層類珍珠母結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母納米復合膜有望取代現(xiàn)有的聚酰亞胺基復合膜材料，作為一種有效的新型航天器外層防護材料，從而用于低軌道環(huán)境。

標簽：中國科技大學太空防護納米復合膜太空探測器