中國(guó)科學(xué)家研制出一種新型航天器防護(hù)材料

受天然珍珠母“磚-泥”層狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)研制出一種新型航天器外層防護(hù)材料—聚酰亞胺-納米云母復(fù)合膜。這種新材料由于采用了獨(dú)特的仿生設(shè)計(jì)，其力學(xué)性能和空間極端環(huán)境耐受性均得到顯著提升，有望取代現(xiàn)有的聚酰亞胺基復(fù)合膜材料。

聚酰亞胺薄膜因其優(yōu)異的力學(xué)性能、絕佳的熱穩(wěn)定性和突出的耐化學(xué)性，而成為太空探測(cè)器“防護(hù)服”的絕佳材料。然而，與其他碳?xì)渚酆衔镆粯?，該材料在太空環(huán)境中也極易受到原子氧攻擊，導(dǎo)致物理和力學(xué)性能急劇下降，目前還沒有很好的解決手段。此外，宇宙射線輻射和空間碎片撞擊等極端環(huán)境也對(duì)其穩(wěn)定性提出嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

俞書宏團(tuán)隊(duì)受天然珍珠母的“磚-泥”層狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用前期開發(fā)的具有優(yōu)異力學(xué)性能和紫外屏蔽功能且可大規(guī)模制備的納米云母片作為構(gòu)筑基元，與聚酰亞胺前驅(qū)體共組裝得到聚酰亞胺-納米云母復(fù)合膜，利用云母的優(yōu)越本征特性來彌補(bǔ)聚酰亞胺的不足。區(qū)別于以往仿珍珠層納米復(fù)合膜的單層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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-納米云母復(fù)合膜，使其頂層具有更致密的納米云母片。這種設(shè)計(jì)策略不僅實(shí)現(xiàn)了材料力學(xué)性能的有效提升，而且使其上表面對(duì)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(fù)合膜的拉伸強(qiáng)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%。由于獨(dú)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(shì)，雙層聚酰亞胺-納米云母復(fù)合膜表現(xiàn)出更優(yōu)越的原子氧耐受性，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(fù)合膜和以往報(bào)道的聚酰亞胺基復(fù)合材料。此外，其抗紫外線老化性和高溫穩(wěn)定性也得到明顯提升。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這項(xiàng)研究提出的獨(dú)特雙層仿珍珠母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，為設(shè)計(jì)構(gòu)筑其他高性能納米復(fù)合材料提供了新思路。