聚酰亞胺薄膜因其優(yōu)異的力學(xué)性能、絕佳的熱穩(wěn)定性和突出的耐化學(xué)性，成為太空探測器“防護(hù)服”的優(yōu)異材料。然而，與其他碳?xì)渚酆衔镆粯樱埘啺凡牧显谔窄h(huán)境中也易受到原子氧的攻擊，導(dǎo)致其物理和力學(xué)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(huán)境也對其穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

近日，中國科學(xué)院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏團(tuán)隊研發(fā)出一種新型的針對太空防護(hù)應(yīng)用的聚酰亞胺-納米云母復(fù)合膜材料。該材料采用獨(dú)特的仿生設(shè)計，其力學(xué)性能和空間極端環(huán)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(jié)構(gòu)啟發(fā)，巧妙地設(shè)計構(gòu)筑了具有雙層類珍珠層結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母納米復(fù)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(gòu)筑單元的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)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(guān)研究成果以Double-Layer Nacre-Inspired Polyimide-Mica Nanocomposite Films with Excellent Mechanical Stability for LEO Environmental Conditions為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

科研人員將前期開發(fā)的具有優(yōu)異力學(xué)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(gòu)筑基元，與聚酰亞胺前驅(qū)體共組裝得到聚酰亞胺-云母納米復(fù)合膜，利用云母的優(yōu)越本征特性來彌補(bǔ)聚酰亞胺的不足。區(qū)別以往仿珍珠層納米復(fù)合膜的單層結(jié)構(gòu)設(shè)計，本研究中，研究團(tuán)隊改變組分配比，借助噴涂與熱固化聯(lián)用法，構(gòu)筑了具有雙層類珍珠層結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母納米復(fù)合膜，使其頂層具有更致密的云母納米片（圖a-f）。這種設(shè)計策略實(shí)現(xiàn)了材料力學(xué)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(fù)合膜的拉伸強(qiáng)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(dú)特的雙層類珍珠母結(jié)構(gòu)及云母納米片的固有性能優(yōu)勢，雙層聚酰亞胺-云母復(fù)合膜表現(xiàn)出更優(yōu)越的原子氧耐受性（侵蝕率≈0.17×10-24 cm-3 atoms-1），明顯優(yōu)于純聚酰亞胺薄膜、單層類珍珠母結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母復(fù)合膜以及以往報道的聚酰亞胺基復(fù)合材料。此外，其抗紫外線老化性（313 nm）和高溫穩(wěn)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(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母納米復(fù)合膜有望取代現(xiàn)有的聚酰亞胺基復(fù)合膜材料，作為一種有效的新型航天器外層防護(hù)材料，從而用于低軌道環(huán)境。該研究提出的獨(dú)特雙層仿珍珠母結(jié)構(gòu)設(shè)計策略也為設(shè)計構(gòu)筑其他高性能納米復(fù)合材料提供了新思路。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體資助項目/重點(diǎn)項目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項基金、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項目及中國科大同步輻射聯(lián)合基金的資助。

聚酰亞胺-納米云母仿生復(fù)合膜制備過程示意圖及其微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和原子氧耐受性