顆粒在線訊：聚酰亞胺（PI）薄膜因其優(yōu)異的機(jī)械性能、突出的熱穩(wěn)定性、固有的耐化學(xué)性和出色的柔韌性而成為有吸引力的材料。PI薄膜通常用作熱毯多層絕緣體結(jié)構(gòu)的外層，用于保護(hù)航天器免受低地球軌道（LEO）不利條件的影響，包括原子氧（AO）、紫外線（UV）輻射、空間碎片和熱循環(huán)。隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展和保障航天器安全可靠性的需要，對(duì)具有改進(jìn)機(jī)械性能和抗氧化性的PI薄膜的需求不斷增長(zhǎng)。通常，PI薄膜在OA環(huán)境中非常容易攻擊導(dǎo)致其物理機(jī)械性能急劇下降，使用壽命顯著縮短。雖然通過(guò)在薄膜表面沉積均勻的無(wú)機(jī)抗氧化涂層來(lái)增加底層PI薄膜的硬度和抗氧化性能，但目前的PI復(fù)合薄膜的機(jī)械性能和抗AO性能仍然不足。

鑒于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士和高懷嶺副教授通過(guò)將云母納米片與PI集成到獨(dú)特的雙層珍珠層結(jié)構(gòu)中，在頂層具有更高密度的云母納米片，從而制造出一種新的基于PI的納米復(fù)合薄膜，該薄膜具有大大增強(qiáng)的機(jī)械性能和抗氧化性。此外，云母獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和固有特性也賦予納米復(fù)合薄膜良好的抗紫外線和耐高溫性能。這種材料的綜合性能優(yōu)于純PI，單層PI-云母，以及之前報(bào)道的基于PI的復(fù)合薄膜。因此，雙層納米復(fù)合薄膜作為用于低地球軌道的航空航天材料顯示出巨大的潛力。相關(guān)工作以“Double-Layer Nacre-Inspired Polyimide-Mica Nanocomposite Films with Excellent Mechanical Stability for LEO Environmental Conditions”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上。

雙層PI-Mica納米復(fù)合薄膜的制備和表征

PI-Mica薄膜是通過(guò)將云母納米片和PI集成到雙層珍珠層結(jié)構(gòu)中生產(chǎn)的。首先在加熱臺(tái) (≈80 °C) 上將一定體積的聚酰胺酸（PAA）-云母分散體噴涂到玻璃基板上以產(chǎn)生具有單個(gè)-層珍珠層啟發(fā)的結(jié)構(gòu)（圖1）。隨后，將更高質(zhì)量的PAA-云母分散體噴涂在上述底層上從而形成更致密的珍珠層啟發(fā)式頂層。最后，熱固化后獲得了具有獨(dú)特雙層珍珠層結(jié)構(gòu)的大而靈活的PI-云母納米復(fù)合薄膜。SEM結(jié)果顯示，在單層PI-云母薄膜的截面表面觀察到明顯的具有階梯狀結(jié)構(gòu)特征的分層（圖2）。含有20 wt%云母納米片的單層PI-云母薄膜顯示出最佳的機(jī)械性能。PI-Mica薄膜的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別為125 MPa和2.2 GPa，分別比純PI薄膜的值高45%和100%。納米壓痕測(cè)試表明，雙層薄膜的頂層表面硬度≈0.37 GPa，優(yōu)于單層（≈0.32 GPa）和純PI（≈0.2 GPa）薄膜。雙層膜在疲勞測(cè)試后仍可保持其微觀結(jié)構(gòu)完整性。

圖1雙層珍珠層薄膜的制備

圖2 雙層PI-云母薄膜的結(jié)構(gòu)和機(jī)械特性

納米復(fù)合膜的抗原子氧性和分子動(dòng)力學(xué)模擬

AO攻擊6小時(shí)后，純PI膜被嚴(yán)重腐蝕，其均方根 (RMS) 粗糙度值達(dá)到≈115.8 nm。然而，雙層膜的表面和截面形貌變化相對(duì)較小，RMS粗糙度值僅為≈11.2 nm。純PI薄膜的透射光譜在AO曝光后從曲線變?yōu)榫€性（圖3)，表明其結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞。雙層膜的透光率曲線在AO曝光后幾乎沒(méi)有變化，證實(shí)了其結(jié)構(gòu)的完整性。這些結(jié)果證實(shí)，設(shè)計(jì)的具有更致密頂層的雙層實(shí)體結(jié)構(gòu)有效地促進(jìn)了雙層 PI-云母膜的抗原子氧剝蝕性能。為了闡明抗AO機(jī)制，在AO攻擊之前和之后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬了純PI和雙層PI-云母薄膜的表面化學(xué)成分變化（圖4）。結(jié)果表明，更多的云母納米片暴露在雙層膜表面上，納米片可以充當(dāng)保護(hù)層以防止AO進(jìn)一步侵蝕納米復(fù)合膜。

圖3雙層PI-Mica薄膜的抗原子氧性能(AO)

圖4 AO侵蝕下云母和PI的分子動(dòng)力學(xué)模擬

雙層PI-Mica薄膜在惡劣環(huán)境中的機(jī)械性能

除AO之外，紫外線照射和高溫也會(huì)使LEO中的PI基復(fù)合材料降解。因此，雙層PI-Mica薄膜在不同不利環(huán)境（如AO暴露、UV暴露和高溫）中的機(jī)械穩(wěn)定性對(duì)其作為航空航天防護(hù)材料的適用性至關(guān)重要。純PI薄膜在AO、UV和高溫處理后表現(xiàn)出降低的拉伸強(qiáng)度（10-60%）和楊氏模量（29-46%）（圖5）。然而，在相同條件下，雙層PI-云母薄膜分別在110 MPa和2 GPa下保持了其原始拉伸強(qiáng)度的至少88% 和原始楊氏模量的91%。雙層PI-Mica薄膜的機(jī)械穩(wěn)定性很大程度上歸功于雙層珍珠層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和云母納米片固有的化學(xué)耐久性、紫外線屏蔽性和高溫穩(wěn)定性。

圖5雙層PI-Mica薄膜在惡劣環(huán)境中的機(jī)械性能

小結(jié)：作者通過(guò)噴涂和熱固化將云母納米片和PI基質(zhì)整合到獨(dú)特的雙層珍珠層結(jié)構(gòu)中制成了雙層PI-云母薄膜，其機(jī)械性能、抗氧化性、抗紫外線老化性和高溫穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。這種雙層PI-Mica薄膜可以作為一種新型的航空航天防護(hù)材料，取代現(xiàn)有的低軌應(yīng)用的PI基復(fù)合材料。獨(dú)特的雙層珍珠層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用了云母納米片和PI性能優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)出最佳性能，并為設(shè)計(jì)和制造其他高性能仿生納米復(fù)合材料提供了一個(gè)有前途的模板。