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科研進展

2021年11月29日
中國科大研制用于太空防護的仿生納米復合膜取得重要進展

聚酰亞胺薄膜因其優異(yi)的(de)(de)力學性(xing)能、絕佳的(de)(de)熱穩定性(xing)和(he)突出的(de)(de)耐(nai)化學性(xing),而成為(wei)太(tai)空探測器“防(fang)護服”的(de)(de)絕佳材料。然而,與其他(ta)碳氫聚合物一(yi)樣(yang),聚酰亞胺材料在太(tai)空環境中也(ye)極易受(shou)到原子氧的(de)(de)攻擊(ji),導致(zhi)其物理和(he)力學性(xing)能急劇下降。目前針(zhen)對(dui)這一(yi)問(wen)題還沒有很好的(de)(de)解(jie)決(jue)手段。此外,宇宙射線輻射和(he)空間碎(sui)片撞擊(ji)等極端環境也(ye)對(dui)其穩定性(xing)提出了嚴峻(jun)的(de)(de)考(kao)驗。

1. 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、機械性能和原子氧耐受性

近日,中國科大俞書宏院士團隊研發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,該材料采用了獨特的仿生設計,使其力學性能和空間極端環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”層狀結構啟發,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,借助云母的本征屬性和最為構筑單元的優點,在實現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。該研究成果以“Double-Layer Nacre-Inspired Polyimide-Mica Nanocomposite Films with Excellent Mechanical Stability for LEO Environmental Conditions”為題發表在國際期刊Advanced Materials上。愛游戲體育登錄特任副研究員潘曉鋒和博士生伍鮑為論文的共同第一作者,高懷嶺副研究員和俞書宏教授為通訊作者。

研究人員利用他們前期開發的具有優異力學性能和紫外屏蔽功能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,利用云母的優越本征特性來彌補聚酰亞胺的不足。區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(圖1a-f)。這種設計策略不僅實現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和0.37 GPa,比純聚酰亞胺膜分別高出45%、100%和68%(圖1g)。由于獨特的雙層類珍珠母結構以及云母納米片的固有性能優勢,所得雙層聚酰亞胺-云母復合膜表現出更優越的原子氧耐受性(侵蝕率≈0.17×10-24 cm-3 atoms-1),明顯優于純聚酰亞胺薄膜、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,其抗紫外線老化性(313 nm)和高溫穩定性(380oC)相比純PI膜也得到了明顯提升。

這種(zhong)具有(you)(you)雙(shuang)層(ceng)類珍珠母(mu)結構(gou)的(de)聚酰亞胺-云母(mu)納米(mi)復(fu)合膜有(you)(you)望取代現有(you)(you)的(de)聚酰亞胺基復(fu)合膜材料(liao),作(zuo)為一種(zhong)有(you)(you)效的(de)新型航天器外層(ceng)防護材料(liao),從而用于(yu)低軌道(dao)環境。該項研(yan)究(jiu)提(ti)出(chu)的(de)獨(du)特(te)雙(shuang)層(ceng)仿珍珠母(mu)結構(gou)設計策略也為設計構(gou)筑其(qi)他高性能納米(mi)復(fu)合材料(liao)提(ti)供(gong)了新思路。

這(zhe)項(xiang)研(yan)究得到了國家自(zi)然(ran)科(ke)(ke)學(xue)基(ji)金創新研(yan)究群體(ti)資助(zhu)項(xiang)目(mu)、國家自(zi)然(ran)科(ke)(ke)學(xue)基(ji)金重點項(xiang)目(mu)、中(zhong)科(ke)(ke)院前沿重點項(xiang)目(mu)、中(zhong)央(yang)高校(xiao)基(ji)本科(ke)(ke)研(yan)業務費專項(xiang)基(ji)金、安徽(hui)省高校(xiao)協同(tong)創新項(xiang)目(mu)以及中(zhong)科(ke)(ke)大同(tong)步輻射聯合基(ji)金的資助(zhu)。

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(微尺度物質科(ke)(ke)學國家(jia)研究中心、化學與材料科(ke)(ke)學學院、科(ke)(ke)研部)

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