中國科大研制出用于太空防護的仿生納米復合膜

　　聚酰亞胺薄膜因其優異的力學性能、絕佳的熱穩定性和突出的耐化學性，成為太空探測器“防護服”的優異材料。然而，與其他碳氫聚合物一樣，聚酰亞胺材料在太空環境中也易受到原子氧的攻擊，導致其物理和力學性能急劇下降。目前，針對這一問題尚無較好的解決手段。此外，宇宙射線輻射和空間碎片撞擊等極端環境也對其穩定性提出了嚴峻考驗。

　　近日，中國科學院士、中國科學技術大學教授俞書宏團隊研發出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。該材料采用獨特的仿生設計，其力學性能和空間極端環境耐受性均得到顯著提升。研究人員受到天然珍珠母的“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明顯提升。相關研究成果以Double-Layer Nacre-Inspired Polyimide-Mica Nanocomposite Films with Excellent Mechanical Stability for LEO Environmental Conditions為題，發表在Advanced Materials上。

　　科研人員將前期開發的具有優異力學性能、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。區別以往仿珍珠層納米復合膜的單層結構設計，本研究中，研究團隊改變組分配比，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a-f）。這種設計策略實現了材料力學性能的有效提升，并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，該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g）。由于獨特的雙層類珍珠母結構及云母納米片的固有性能優勢，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-云母復合膜以及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（380 oC）相比純PI膜也得到明顯提升。

　　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。

　　研究工作得到國家自然科學基金創新研究群體資助項目/重點項目、中科院前沿科學重點研究計劃、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及中國科大同步輻射聯合基金的資助。

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202105299

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