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2021.12.01

【科技日报】仿生复合膜或成航天器防护“新装”

寻材问(wen)料

科(ke)技日(ri)报讯 (记者吴长锋(feng))记者11月(yue)29日(ri)从中国科(ke)学技术(shu)大学了解到,该校俞书宏院士(shi)团队受天然珍珠母(mu)“砖—泥(ni)”层(ceng)状结构的启发,研制出一种(zhong)新(xin)型航天器外(wai)层(ceng)防护(hu)材料(liao)——聚酰亚胺(an)(an)—纳(na)米(mi)云(yun)母(mu)复合膜。这种(zhong)新(xin)材料(liao)由于(yu)采用了独特的仿生设计,其(qi)力学性(xing)能和空间极端环境耐受性(xing)均得到显著提升,有望取代现有的聚酰亚胺(an)(an)基复合膜材料(liao)。该成果日(ri)前发表于(yu)《先进材料(liao)》上。

聚酰亚胺薄(bo)膜(mo)因(yin)其优(you)异的(de)力学性(xing)能、绝佳的(de)热(re)稳定性(xing)和(he)突出的(de)耐化(hua)学性(xing),成为太(tai)空(kong)探测(ce)器“防护服”的(de)绝佳材(cai)料(liao)。然(ran)而(er),与其他碳(tan)氢聚合物(wu)一样,该材(cai)料(liao)在太(tai)空(kong)环境(jing)中也(ye)极易受到(dao)原子氧攻(gong)击,导致物(wu)理和(he)力学性(xing)能急剧下降,目前还(hai)没有很好的(de)解决手(shou)段。此外,宇宙(zhou)射线辐(fu)射和(he)空(kong)间碎片撞击等(deng)极端环境(jing)也(ye)对其稳定性(xing)提出严峻(jun)的(de)考验(yan)。

受天然珍(zhen)珠母(mu)的(de)“砖—泥”层(ceng)状(zhuang)结(jie)构启(qi)发,科研人员利用前期开(kai)发的(de)具(ju)有(you)优(you)异力学(xue)性能(neng)(neng)和紫外屏(ping)蔽功能(neng)(neng)且(qie)可大规模制备的(de)纳(na)(na)米(mi)云母(mu)片作(zuo)为构筑基(ji)元,与(yu)聚酰亚(ya)胺(an)前驱体(ti)共组装得到聚酰亚(ya)胺(an)—纳(na)(na)米(mi)云母(mu)复合膜(mo),利用云母(mu)的(de)优(you)越本(ben)征特性来弥补聚酰亚(ya)胺(an)的(de)不足。研究人员通过改变(bian)组分配比,借助喷(pen)涂(tu)与(yu)热固化联用法(fa)构筑了(le)具(ju)有(you)双层(ceng)类珍(zhen)珠层(ceng)结(jie)构的(de)聚酰亚(ya)胺(an)—纳(na)(na)米(mi)云母(mu)复合膜(mo),使其顶层(ceng)具(ju)有(you)更致(zhi)密的(de)纳(na)(na)米(mi)云母(mu)片。这种设计策略(lve)不仅实现(xian)了(le)材料力学(xue)性能(neng)(neng)的(de)有(you)效(xiao)提升,而且(qie)使其上表(biao)面对原(yuan)子氧、紫外辐(fu)射和空间碎片等(deng)具(ju)有(you)更高的(de)抵抗性能(neng)(neng)。

研究(jiu)表(biao)明,这种新型仿生复合膜(mo)的(de)拉伸强(qiang)度(du)、杨(yang)氏模量和(he)(he)表(biao)面硬度(du)分别为125兆帕(pa)、2.2吉(ji)帕(pa)和(he)(he)0.37吉(ji)帕(pa),比(bi)纯(chun)聚(ju)酰(xian)亚(ya)胺(an)膜(mo)分别高(gao)出45%、100%和(he)(he)68%。由(you)于独特(te)的(de)双层类珍珠母(mu)(mu)结(jie)构(gou)以及云(yun)母(mu)(mu)纳米片的(de)固(gu)有(you)性能(neng),仿生复合膜(mo)的(de)性能(neng)明显优于纯(chun)聚(ju)酰(xian)亚(ya)胺(an)薄(bo)膜(mo)、单层类珍珠母(mu)(mu)结(jie)构(gou)的(de)聚(ju)酰(xian)亚(ya)胺(an)—云(yun)母(mu)(mu)复合膜(mo)和(he)(he)以往报道的(de)聚(ju)酰(xian)亚(ya)胺(an)基复合材料。此外,其(qi)抗(kang)紫外线老化性和(he)(he)高(gao)温稳定性也(ye)得到明显提(ti)升。

这项研(yan)究提(ti)出的独(du)特双(shuang)层(ceng)仿珍珠母结(jie)构(gou)设计(ji)策(ce)略,为设计(ji)构(gou)筑其(qi)他高性(xing)能纳米复合材料提(ti)供了(le)新思路。


《科技日报》 (2021年12月01日


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