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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，而成為太空探測(cè)器“防護(hù)服”的絕佳材料。然而，與其他碳?xì)渚酆衔镆粯?，聚酰亞胺材料在太空環(huán)境中也極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(duì)這一問(wèn)題還沒(méi)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(huán)境也對(duì)其穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

圖1. 聚酰亞胺-納米云母仿生復(fù)合膜制備過(guò)程示意圖及其微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和原子氧耐受性

近日，中國(guó)科大俞書(shū)宏院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型的針對(duì)太空防護(hù)應(yīng)用的聚酰亞胺-納米云母復(fù)合膜材料，該材料采用了獨(dú)特的仿生設(shè)計(jì)，使其力學(xué)性能和空間極端環(huán)境耐受性均得到了顯著提升。研究人員受天然珍珠母的“磚-泥”層狀結(jié)構(gòu)啟發(fā)，巧妙地設(shè)計(jì)構(gòu)筑了具有雙層類(lèi)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(shí)，使其頂層對(duì)原子氧、紫外輻射和空間碎片等抵抗能力也得到了明顯提升。該研究成果以“Double-Layer Nacre-Inspired Polyimide-Mica Nanocomposite Films with Excellent Mechanical Stability for LEO Environmental Conditions”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Advanced Materials上。我校特任副研究員潘曉鋒和博士生伍鮑為論文的共同第一作者，高懷嶺副研究員和俞書(shū)宏教授為通訊作者。

研究人員利用他們前期開(kāi)發(fā)的具有優(yōu)異力學(xué)性能和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(lái)彌補(bǔ)聚酰亞胺的不足。區(qū)別于以往仿珍珠層納米復(fù)合膜的單層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在該項(xiàng)研究中，研究人員通過(guò)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(lèi)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1a-f）。這種設(shè)計(jì)策略不僅實(shí)現(xiàn)了材料力學(xué)性能的有效提升，而且使其上表面對(duì)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(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1g）。由于獨(dú)特的雙層類(lèi)珍珠母結(jié)構(gòu)以及云母納米片的固有性能優(yōu)勢(shì)，所得雙層聚酰亞胺-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(lèi)珍珠母結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺-云母復(fù)合膜和以往報(bào)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（380oC）相比純PI膜也得到了明顯提升。

這種具有雙層類(lèi)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。該項(xiàng)研究提出的獨(dú)特雙層仿珍珠母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略也為設(shè)計(jì)構(gòu)筑其他高性能納米復(fù)合材料提供了新思路。

這項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體資助項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院前沿重點(diǎn)項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目以及中科大同步輻射聯(lián)合基金的資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202105299

（微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）