顆粒在線訊：聚酰亞胺（PI）薄膜因其優(yōu)異的機械性能、突出的熱穩(wěn)定性、固有的耐化學性和出色的柔韌性而成為有吸引力的材料。PI薄膜通常用作熱毯多層絕緣體結構的外層，用于保護航天器免受低地球軌道（LEO）不利條件的影響，包括原子氧（AO）、紫外線（UV）輻射、空間碎片和熱循環(huán)。隨著航空航天工業(yè)的快速發(fā)展和保障航天器安全可靠性的需要，對具有改進機械性能和抗氧化性的PI薄膜的需求不斷增長。通常，PI薄膜在OA環(huán)境中非常容易攻擊導致其物理機械性能急劇下降，使用壽命顯著縮短。雖然通過在薄膜表面沉積均勻的無機抗氧化涂層來增加底層PI薄膜的硬度和抗氧化性能，但目前的PI復合薄膜的機械性能和抗AO性能仍然不足。

鑒于此，中國科學技術大學俞書宏院士和高懷嶺副教授通過將云母納米片與PI集成到獨特的雙層珍珠層結構中，在頂層具有更高密度的云母納米片，從而制造出一種新的基于PI的納米復合薄膜，該薄膜具有大大增強的機械性能和抗氧化性。此外，云母獨特的微觀結構和固有特性也賦予納米復合薄膜良好的抗紫外線和耐高溫性能。這種材料的綜合性能優(yōu)于純PI，單層PI-云母，以及之前報道的基于PI的復合薄膜。因此，雙層納米復合薄膜作為用于低地球軌道的航空航天材料顯示出巨大的潛力。相關工作以“Double-Layer Nacre-Inspired Polyimide-Mica Nanocomposite Films with Excellent Mechanical Stability for LEO Environmental Conditions”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

雙層PI-Mica納米復合薄膜的制備和表征

PI-Mica薄膜是通過將云母納米片和PI集成到雙層珍珠層結構中生產的。首先在加熱臺 (≈80 °C) 上將一定體積的聚酰胺酸（PAA）-云母分散體噴涂到玻璃基板上以產生具有單個-層珍珠層啟發(fā)的結構（圖1）。隨后，將更高質量的PAA-云母分散體噴涂在上述底層上從而形成更致密的珍珠層啟發(fā)式頂層。最后，熱固化后獲得了具有獨特雙層珍珠層結構的大而靈活的PI-云母納米復合薄膜。SEM結果顯示，在單層PI-云母薄膜的截面表面觀察到明顯的具有階梯狀結構特征的分層（圖2）。含有20 wt%云母納米片的單層PI-云母薄膜顯示出最佳的機械性能。PI-Mica薄膜的拉伸強度和楊氏模量分別為125 MPa和2.2 GPa，分別比純PI薄膜的值高45%和100%。納米壓痕測試表明，雙層薄膜的頂層表面硬度≈0.37 GPa，優(yōu)于單層（≈0.32 GPa）和純PI（≈0.2 GPa）薄膜。雙層膜在疲勞測試后仍可保持其微觀結構完整性。

圖1雙層珍珠層薄膜的制備

圖2 雙層PI-云母薄膜的結構和機械特性

納米復合膜的抗原子氧性和分子動力學模擬

AO攻擊6小時后，純PI膜被嚴重腐蝕，其均方根 (RMS) 粗糙度值達到≈115.8 nm。然而，雙層膜的表面和截面形貌變化相對較小，RMS粗糙度值僅為≈11.2 nm。純PI薄膜的透射光譜在AO曝光后從曲線變?yōu)榫€性（圖3)，表明其結構受到嚴重破壞。雙層膜的透光率曲線在AO曝光后幾乎沒有變化，證實了其結構的完整性。這些結果證實，設計的具有更致密頂層的雙層實體結構有效地促進了雙層 PI-云母膜的抗原子氧剝蝕性能。為了闡明抗AO機制，在AO攻擊之前和之后，通過實驗測量和模擬了純PI和雙層PI-云母薄膜的表面化學成分變化（圖4）。結果表明，更多的云母納米片暴露在雙層膜表面上，納米片可以充當保護層以防止AO進一步侵蝕納米復合膜。

圖3雙層PI-Mica薄膜的抗原子氧性能(AO)

圖4 AO侵蝕下云母和PI的分子動力學模擬

雙層PI-Mica薄膜在惡劣環(huán)境中的機械性能

除AO之外，紫外線照射和高溫也會使LEO中的PI基復合材料降解。因此，雙層PI-Mica薄膜在不同不利環(huán)境（如AO暴露、UV暴露和高溫）中的機械穩(wěn)定性對其作為航空航天防護材料的適用性至關重要。純PI薄膜在AO、UV和高溫處理后表現出降低的拉伸強度（10-60%）和楊氏模量（29-46%）（圖5）。然而，在相同條件下，雙層PI-云母薄膜分別在110 MPa和2 GPa下保持了其原始拉伸強度的至少88% 和原始楊氏模量的91%。雙層PI-Mica薄膜的機械穩(wěn)定性很大程度上歸功于雙層珍珠層結構設計和云母納米片固有的化學耐久性、紫外線屏蔽性和高溫穩(wěn)定性。

圖5雙層PI-Mica薄膜在惡劣環(huán)境中的機械性能

小結：作者通過噴涂和熱固化將云母納米片和PI基質整合到獨特的雙層珍珠層結構中制成了雙層PI-云母薄膜，其機械性能、抗氧化性、抗紫外線老化性和高溫穩(wěn)定性大大增強。這種雙層PI-Mica薄膜可以作為一種新型的航空航天防護材料，取代現有的低軌應用的PI基復合材料。獨特的雙層珍珠層結構設計充分利用了云母納米片和PI性能優(yōu)勢表現出最佳性能，并為設計和制造其他高性能仿生納米復合材料提供了一個有前途的模板。