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Advanced Materials | 俞书宏院士团队与吴恒安团队合作研制用于太空防护的仿生纳米复合膜取得重要进展

( 2021-11-29 )

聚酰亚胺薄膜因其优异的力学性能、绝佳的热稳定性和突出的耐化学性,而成为太空探测器“防护服”的绝佳材料。然而,与其他碳氢聚合物一样,聚酰亚胺材料在太空环境中也极易受到原子氧的攻击,导致其物理和力学性能急剧下降。目前针对这一问题还没有很好的解决手段。此外,宇宙射线辐射和空间碎片撞击等极端环境也对其稳定性提出了严峻的考验。

1. 聚酰亚胺-纳米云母仿生复合膜制备过程示意图及其微观结构、机械性能和原子氧耐受性

近日,中国科大俞书宏院士团队研发了一种新型的针对太空防护应用的聚酰亚胺-纳米云母复合膜材料,该材料采用了独特的仿生设计,使其力学性能和空间极端环境耐受性均得到了显著提升。研究人员受天然珍珠母的“砖-泥”层状结构启发,巧妙地设计构筑了具有双层类珍珠层结构的聚酰亚胺-云母纳米复合膜,使其顶层分布有更致密的云母纳米片,借助云母的本征属性和最为构筑单元的优点,在实现材料力学性能有效提升的同时,使其顶层对原子氧、紫外辐射和空间碎片等抵抗能力也得到了明显提升。该研究成果以“Double-Layer Nacre-Inspired Polyimide-Mica Nanocomposite Films with Excellent Mechanical Stability for LEO Environmental Conditions”为题发表在国际期刊Advanced Materials上。我校特任副研究员潘晓锋、中国科学院材料力学行为和设计重点实验室博士生伍鲍为论文的共同第一作者,高怀岭副研究员和俞书宏教授为通讯作者。

研究人员利用他们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云母纳米片(Nat. Commun. 2018, 9, 2974)作为构筑基元,与聚酰亚胺前驱体共组装得到聚酰亚胺-云母纳米复合膜,利用云母的优越本征特性来弥补聚酰亚胺的不足。区别于以往仿珍珠层纳米复合膜的单层结构设计,在该项研究中,研究人员通过改变组分配比,借助喷涂与热固化联用法构筑了具有双层类珍珠层结构的聚酰亚胺-云母纳米复合膜,使其顶层具有更致密的云母纳米片(图1a-f)。这种设计策略不仅实现了材料力学性能的有效提升,而且使其上表面对原子氧、紫外辐射和空间碎片等具有更高的抵抗性能。

研究表明,这种新型仿生复合膜的拉伸强度、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%(图1g)。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),明显优于纯聚酰亚胺薄膜、单层类珍珠母结构的聚酰亚胺-云母复合膜和以往报道的聚酰亚胺基复合材料。此外,其抗紫外线老化性(313 nm)和高温稳定性(380oC)相比纯PI膜也得到了明显提升。

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,作为一种有效的新型航天器外层防护材料,从而用于低轨道环境。该项研究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。

这项研究得到了国家自然科学基金创新研究群体资助项目、国家自然科学基金重点项目、中科院前沿重点项目、中央高校基本科研业务费专项基金、安徽省高校协同创新项目以及中科大同步辐射联合基金的资助。

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



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