中国科大俞书宏院士/高怀岭《Adv. Mater.》：用于航天器的太空防护材料

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聚酰亚胺（PI）薄膜因其优异的力学性能以及显著的热稳定性和化学稳定性，被作为航天器外衣的首选材料，用于保护航天器免受近地轨道不利环境（例如原子氧、紫外线辐射、空间碎片和热循环等）的损害。即便拥有出色的性能，聚酰亚胺薄膜也与其他碳氢聚合物一样，极易受到原子氧攻击。薄膜中的碳、氢和氮等元素，在原子氧辐射后容易被氧化而形成挥发性气体分子，导致薄膜的力学性能急剧下降，从而显著缩短其使用寿命。随着航天工业的快速发展，以及对航天器的安全性和可靠性需求的增加，迫切需要对聚酰亚胺薄膜材料的力学性能和原子氧抵抗性能不断提高。

当前所采用的解决方案主要包括：1）在薄膜表面沉积均匀的无机物涂层，以增加薄膜顶层的硬度和原子氧耐受性，但是该涂层容易开裂、脱落；2）通过在聚酰亚胺聚合前添加可产生钝化层的多面体低聚倍半硅氧烷（POSS），但是POSS单体的价格昂贵、合成复杂、受到规模化制备的限制。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士/高怀岭团队，通过借鉴珍珠母的“砖-泥”层状结构优势，提出了一种双层仿珍珠母结构设计的新策略。研究人员以其前期开发的具有优异力学性能和紫外屏蔽功能，且可宏量制备的高质量云母纳米片为构筑基元（Nat. Commun. 2018, 9, 2974），与聚酰亚胺前驱体混合后，借助喷涂与热固化联用法制得了具有双层类珍珠母结构的聚酰亚胺-云母纳米复合膜，通过改变组分配比，使所得复合膜的顶层具有更致密的云母纳米片（图1）。这种独特的结构设计有效地提升了聚酰亚胺薄膜的力学性能和抗原子氧性能。

图1 双层聚酰亚胺-云母复合膜的制备和结构表征

研究表明，所得复合膜的拉伸强度、杨氏模量和表面硬度分别为125 MPa、2.2 GPa和0.37 GPa，比纯聚酰亚胺膜分别高出45%、100%和68%。由于独特的双层类珍珠母结构以及云母纳米片的固有性能优势，所得双层聚酰亚胺-云母复合膜表现出更优越的原子氧耐受性（侵蚀率≈0.17×10^-24 cm^-3 atoms^-1）（图2）、抗紫外线老化性（313 nm）和高温稳定性（380 °C），这些性能明显优于纯聚酰亚胺薄膜、单层类珍珠母结构的聚酰亚胺-云母复合膜和先前报道的聚酰亚胺基复合材料（图3）。

图2 双层聚酰亚胺-云母复合膜的原子氧耐受性测试

图3 双层聚酰亚胺-云母复合膜在模拟的近地轨道环境中的稳定性

由此可见，这种具有双层类珍珠母结构的聚酰亚胺-云母纳米复合膜有望取代现有的聚酰亚胺基复合膜材料，从而作为一种有效的新型航天器外层防护材料，以用于低轨道环境。该工作提出的独特双层仿珍珠母结构设计策略也为设计构筑其他高性能纳米复合材料提供了新思路。

相关成果以“Double-layer nacre-inspired polyimide-mica nanocomposite films with excellent mechanical stability for LEO environmental conditions”为题，发表在11月22日出版的《先进材料》上（Advanced Materials 2021, DOI: 10.1002/adma.202105299）。第一作者为特任副研究员潘晓锋和博士生伍鲍，通讯作者为俞书宏院士和其团队的高怀岭副研究员。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202105299

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