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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

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)異的力學能、絕佳的熱穩(wěn)定、突出的耐化學,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用的聚酰亞胺-納米云母復合膜材料,采用獨特的仿生設計,使其力學能、空間極端環(huán)境耐受均得到了顯著提升。

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

借助云母的本征屬和最為構筑單元的優(yōu)點,在實現(xiàn)材料力學能有效提升的同時,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)作為構筑基元,與聚酰亞胺前驅體共組裝,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構設計,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)用法構筑了具有雙層類珍珠層結構的聚酰亞胺-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構、機械能和原子氧耐受

這種設計策略不僅實現(xiàn)了材料力學能的有效提升,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構以及云母納米片的固有能優(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(侵蝕率≈0.17×10-24 cm atoms),明顯優(yōu)于純聚酰亞胺薄膜、單層類珍珠母結構的聚酰亞胺-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(313 nm)和高溫穩(wěn)定(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構的聚酰亞胺-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

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