中国科大：太空防护仿生纳米复合膜重大进展

据中国科技大学官方消息，该校研制的用于太空防护的仿生纳米复合膜取得重要进展。

据介绍，聚酰亚胺薄膜拥有优异的力学性能、绝佳的热稳定性、突出的耐化学性，是太空探测器“防护服”的绝佳材料。

但是，与其他碳氢聚合物一样，聚酰亚胺材料在太空环境中极易受到原子氧的攻击，导致其物理和力学性能急剧下降，而宇宙射线辐射、空间碎片撞击等极端环境，也对其稳定性提出了严峻的考验，

对于这些问题，目前还没有很好的解决方案。

中国科大俞书宏院士团队研发了一种新型的针对太空防护应用的聚酰亚胺-纳米云母复合膜材料，采用独特的仿生设计，使其力学性能、空间极端环境耐受性均得到了显著提升。

研究人员受天然珍珠母的“砖-泥”层状结构启发，巧妙地设计构筑了具有双层类珍珠层结构的聚酰亚胺-云母纳米复合膜，使其顶层分布有更致密的云母纳米片。

借助云母的本征属性和最为构筑单元的优点，在实现材料力学性能有效提升的同时，使其顶层对原子氧、紫外辐射和空间碎片等抵抗能力也得到了明显提升。

研究人员利用前期开发的具有优异力学性能和紫外屏蔽功能，而且可宏量制备的云母纳米片（Nat. Commun. 2018, 9, 2974）作为构筑基元，与聚酰亚胺前驱体共组装，得到聚酰亚胺-云母纳米复合膜，利用云母的优越本征特性来弥补聚酰亚胺的不足。

区别于以往仿珍珠层纳米复合膜的单层结构设计，在该项研究中，研究人员通过改变组分配比，借助喷涂与热固化联用法构筑了具有双层类珍珠层结构的聚酰亚胺-云母纳米复合膜，使其顶层具有更致密的云母纳米片（如下图1a-f）。

聚酰亚胺-纳米云母仿生复合膜制备过程示意图及其微观结构、机械性能和原子氧耐受性

这种设计策略不仅实现了材料力学性能的有效提升，而且使其上表面对原子氧、紫外辐射和空间碎片等具有更高的抵抗性能。

研究表明，这种新型仿生复合膜的拉伸强度、杨氏模量和表面硬度分别为125 MPa、2.2 GPa、0.37 GPa，比纯聚酰亚胺膜分别高出45%、100%、68%。

由于独特的双层类珍珠母结构以及云母纳米片的固有性能优势，所得双层聚酰亚胺-云母复合膜表现出更优越的原子氧耐受性（侵蚀率≈0.17×10-24 cm^-3 atoms^-1），明显优于纯聚酰亚胺薄膜、单层类珍珠母结构的聚酰亚胺-云母复合膜和以往报道的聚酰亚胺基复合材料。

此外，其抗紫外线老化性（313 nm）和高温稳定性（380oC）相比纯PI膜也得到了明显提升。

这种具有双层类珍珠母结构的聚酰亚胺-云母纳米复合膜有望取代现有的聚酰亚胺基复合膜材料，作为一种有效的新型航天器外层防护材料，从而用于低轨道环境。

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