中國科學家研制出一種新型航天器防護材料

近期，受天然珍珠母“磚-泥”層狀結構的啟發，中國科學技術大學俞書宏院士團隊研制出一種新型航天器外層防護材料——聚酰亞胺-納米云母復合膜。這種新材料由于采用了獨特的仿生設計，其力學性能和空間極端環境耐受性均得到顯著提升，有望取代現有的聚酰亞胺基復合膜材料。該成果日前發表于《先進材料》。

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，而成為太空探測器“防護服”的絕佳材料。然而，與其他碳氫聚合物一樣，該材料在太空環境中也極易受到原子氧攻擊，導致物理和力學性能急劇下降，目前還沒有很好的解決手段。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嚴峻的考驗。

俞書宏團隊受天然珍珠母的“磚-泥”層狀結構啟發，利用前期開發的具有優異力學性能和紫外屏蔽功能且可大規模制備的納米云母片作為構筑基元，與聚酰亞胺前驅體共組裝得到聚酰亞胺-納米云母復合膜，利用云母的優越本征特性來彌補聚酰亞胺的不足。區別于以往仿珍珠層納米復合膜的單層結構設計，研究人員通過改變組分配比，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-納米云母復合膜，使其頂層具有更致密的納米云母片。這種設計策略不僅實現了材料力學性能的有效提升，而且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，這種新型仿生復合膜的拉伸強度、楊氏模量和表面硬度分別為125兆帕、2.2吉帕和0.37吉帕，比純聚酰亞胺膜分別高出45%、100%和68%。由于獨特的雙層類珍珠母結構以及云母納米片的固有性能優勢，雙層聚酰亞胺-納米云母復合膜表現出更優越的原子氧耐受性，明顯優于純聚酰亞胺薄膜、單層類珍珠母結構的聚酰亞胺-云母復合膜和以往報道的聚酰亞胺基復合材料。此外，其抗紫外線老化性和高溫穩定性也得到明顯提升。

業內人士認為，這項研究提出的獨特雙層仿珍珠母結構設計策略，為設計構筑其他高性能納米復合材料提供了新思路。