科技日報記者 吳長鋒
記者11月29日從中國科學技術(shù)大學了解到，該校俞書宏院士團隊受天然珍珠母“磚—泥”層狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研制出一種新型航天器外層防護材料——聚酰亞胺—納米云母復合膜。這種新材料由于采用了獨特的仿生設計，其力學性能和空間極端環(huán)境耐受性均得到顯著提升，有望取代現(xiàn)有的聚酰亞胺基復合膜材料。該成果日前發(fā)表于《先進材料》上。
聚酰亞胺薄膜因其優(yōu)異的力學性能、絕佳的熱穩(wěn)定性和突出的耐化學性，成為太空探測器“防護服”的絕佳材料。然而，與其他碳氫聚合物一樣，該材料在太空環(huán)境中也極易受到原子氧攻擊，導致物理和力學性能急劇下降，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)境也對其穩(wěn)定性提出嚴峻的考驗。
受天然珍珠母的“磚—泥”層狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，科研人員利用前期開發(fā)的具有優(yōu)異力學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—納米云母復合膜，利用云母的優(yōu)越本征特性來彌補聚酰亞胺的不足。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—納米云母復合膜，使其頂層具有更致密的納米云母片。這種設計策略不僅實現(xiàn)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125兆帕、2.2吉帕和0.37吉帕，比純聚酰亞胺膜分別高出45%、100%和68%。由于獨特的雙層類珍珠母結(jié)構(gòu)以及云母納米片的固有性能，仿生復合膜的性能明顯優(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，其抗紫外線老化性和高溫穩(wěn)定性也得到明顯提升。
這項研究提出的獨特雙層仿珍珠母結(jié)構(gòu)設計策略，為設計構(gòu)筑其他高性能納米復合材料提供了新思路。
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