太空防護的仿生納米復合膜取得重要進展

 

 

圖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。我校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。

 

這種具有雙層類珍珠母結構的聚酰亞胺-云母納米復合膜有望取代現有的聚酰亞胺基復合膜材料，作為一種有效的新型航天器外層防護材料，從而用于低軌道環境。該項研究提出的獨特雙層仿珍珠母結構設計策略也為設計構筑其他高性能納米復合材料提供了新思路。

 

這項研究得到了國家自然科學基金創新研究群體資助項目、國家自然科學基金重點項目、中科院前沿重點項目、中央高校基本科研業務費專項基金、安徽省高校協同創新項目以及中科大同步輻射聯合基金的資助。