聚酰亞胺（PI）薄膜因其優(yōu)異的力學性能以及顯著的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，被作為航天器外衣的首選材料，用于保護航天器免受近地軌道不利環(huán)境（例如原子氧、紫外線輻射、空間碎片和熱循環(huán)等）的損害。即便擁有出色的性能，聚酰亞胺薄膜也與其他碳氫聚合物一樣，極易受到原子氧攻擊。薄膜中的碳、氫和氮等元素，在原子氧輻射后容易被氧化而形成揮發(fā)性氣體分子，導致薄膜的力學性能急劇下降，從而顯著縮短其使用壽命。隨著航天工業(yè)的快速發(fā)展，以及對航天器的安全性和可靠性需求的增加，迫切需要對聚酰亞胺薄膜材料的力學性能和原子氧抵抗性能不斷提高。
當前所采用的解決方案主要包括：1）在薄膜表面沉積均勻的無機物涂層，以增加薄膜頂層的硬度和原子氧耐受性，但是該涂層容易開裂、脫落；2）通過在聚酰亞胺聚合前添加可產(chǎn)生鈍化層的多面體低聚倍半硅氧烷（POSS），但是POSS單體的價格昂貴、合成復雜、受到規(guī)；苽涞南拗。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士/高懷嶺團隊，通過借鑒珍珠母的“磚-泥”層狀結構優(yōu)勢，提出了一種雙層仿珍珠母結構設計的新策略。研究人員以其前期開發(fā)的具有優(yōu)異力學性能和紫外屏蔽功能，且可宏量制備的高質量云母納米片為構筑基元（Nat. Commun. 2018, 9, 2974），與聚酰亞胺前驅體混合后，借助噴涂與熱固化聯(lián)用法制得了具有雙層類珍珠母結構的聚酰亞胺-云母納米復合膜，通過改變組分配比，使所得復合膜的頂層具有更致密的云母納米片（圖1）。這種獨特的結構設計有效地提升了聚酰亞胺薄膜的力學性能和抗原子氧性能。
圖1 雙層聚酰亞胺-云母復合膜的制備和結構表征
研究表明，所得復合膜的拉伸強度、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%。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(yōu)勢，所得雙層聚酰亞胺-云母復合膜表現(xiàn)出更優(yōu)越的原子氧耐受性（侵蝕率≈0.17×10-24 cm-3 atoms-1）（圖2）、抗紫外線老化性（313 nm）和高溫穩(wěn)定性（380 °C），這些性能明顯優(yōu)于純聚酰亞胺薄膜、單層類珍珠母結構的聚酰亞胺-云母復合膜和先前報道的聚酰亞胺基復合材料（圖3）。
圖2 雙層聚酰亞胺-云母復合膜的原子氧耐受性測試
圖3 雙層聚酰亞胺-云母復合膜在模擬的近地軌道環(huán)境中的穩(wěn)定性
由此可見，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(xiàn)有的聚酰亞胺基復合膜材料，從而作為一種有效的新型航天器外層防護材料，以用于低軌道環(huán)境。該工作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。
相關成果以“Double-layer nacre-inspired polyimide-mica nanocomposite films with excellent mechanical stability for LEO environmental conditions”為題，發(fā)表在11月22日出版的《先進材料》上（Advanced Materials 2021, DOI: 10.1002/adma.202105299）。第一作者為特任副研究員潘曉鋒和博士生伍鮑，通訊作者為俞書宏院士和其團隊的高懷嶺副研究員。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202105299
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