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  聚酰亞胺（PI）薄膜因其優(yōu)異的力學(xué)性能以及顯著的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，被作為航天器外衣的首選材料，用于保護(hù)航天器免受近地軌道不利環(huán)境（例如原子氧、紫外線輻射、空間碎片和熱循環(huán)等）的損害。即便擁有出色的性能，聚酰亞胺薄膜也與其他碳?xì)渚酆衔镆粯樱瑯O易受到原子氧攻擊。薄膜中的碳、氫和氮等元素，在原子氧輻射后容易被氧化而形成揮發(fā)性氣體分子，導(dǎo)致薄膜的力學(xué)性能急劇下降，從而顯著縮短其使用壽命。隨著航天工業(yè)的快速發(fā)展，以及對(duì)航天器的安全性和可靠性需求的增加，迫切需要對(duì)聚酰亞胺薄膜材料的力學(xué)性能和原子氧抵抗性能不斷提高。

  當(dāng)前所采用的解決方案主要包括：1）在薄膜表面沉積均勻的無機(jī)物涂層，以增加薄膜頂層的硬度和原子氧耐受性，但是該涂層容易開裂、脫落；2）通過在聚酰亞胺聚合前添加可產(chǎn)生鈍化層的多面體低聚倍半硅氧烷（POSS），但是POSS單體的價(jià)格昂貴、合成復(fù)雜、受到規(guī)模化制備的限制。

  近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士/高懷嶺團(tuán)隊(duì)，通過借鑒珍珠母的“磚-泥”層狀結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，提出了一種雙層仿珍珠母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新策略。研究人員以其前期開發(fā)的具有優(yōu)異力學(xué)性能和紫外屏蔽功能，且可宏量制備的高質(zhì)量云母納米片為構(gòu)筑基元（Nat. Commun. 2018, 9, 2974），與聚酰亞胺前驅(qū)體混合后，借助噴涂與熱固化聯(lián)用法制得了具有雙層類珍珠母結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母納米復(fù)合膜，通過改變組分配比，使所得復(fù)合膜的頂層具有更致密的云母納米片（圖1）。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效地提升了聚酰亞胺薄膜的力學(xué)性能和抗原子氧性能。

圖1 雙層聚酰亞胺-云母復(fù)合膜的制備和結(jié)構(gòu)表征

  研究表明，所得復(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)，所得雙層聚酰亞胺-云母復(fù)合膜表現(xiàn)出更優(yōu)越的原子氧耐受性（侵蝕率≈0.17×10^-24 cm^-3 atoms^-1）（圖2）、抗紫外線老化性（313 nm）和高溫穩(wěn)定性（380 °C），這些性能明顯優(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(fù)合膜和先前報(bào)道的聚酰亞胺基復(fù)合材料（圖3）。

圖2 雙層聚酰亞胺-云母復(fù)合膜的原子氧耐受性測(cè)試

圖3 雙層聚酰亞胺-云母復(fù)合膜在模擬的近地軌道環(huán)境中的穩(wěn)定性

  由此可見，這種具有雙層類珍珠母結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母納米復(fù)合膜有望取代現(xiàn)有的聚酰亞胺基復(fù)合膜材料，從而作為一種有效的新型航天器外層防護(hù)材料，以用于低軌道環(huán)境。該工作提出的獨(dú)特雙層仿珍珠母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略也為設(shè)計(jì)構(gòu)筑其他高性能納米復(fù)合材料提供了新思路。

  相關(guān)成果以“Double-layer nacre-inspired polyimide-mica nanocomposite films with excellent mechanical stability for LEO environmental conditions”為題，發(fā)表在11月22日出版的《先進(jìn)材料》上（Advanced Materials 2021, DOI: 10.1002/adma.202105299）。第一作者為特任副研究員潘曉鋒和博士生伍鮑，通訊作者為俞書宏院士和其團(tuán)隊(duì)的高懷嶺副研究員。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202105299