[发明专利]一种增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜，所述聚合物复合薄膜包括聚合物薄膜层和镶嵌有空心SiO₂纳米粒子的有机无机复合层，通过在所述聚合物薄膜层的至少一面均匀镶嵌空心SiO₂纳米粒子，在聚合物薄膜层表面形成所述镶嵌有空心SiO₂纳米粒子的有机无机复合层。还公开了所述聚合物复合薄膜的制备方法，包括：依次在刚性基材上制备空心SiO₂纳米粒子层和聚合物薄膜层，固化后剥离刚性基材，得到单面镶嵌空心SiO₂纳米粒子的聚合物复合薄膜，在单面镶嵌空心SiO₂纳米粒子的聚合物复合薄膜的基础上可进一步制备双面镶嵌空心SiO₂纳米粒子的聚合物复合薄膜。所得聚合物复合薄膜能同时实现增透与抗原子氧剥蚀的性能，制备操作简单。

技术领域

本发明属于聚合物薄膜材料领域，具体涉及一种同时实现增透与抗原子氧剥蚀的聚合物复合薄膜及其制备方法。

背景技术

聚合物薄膜由于其在重量、柔韧性、比强度、比刚度及热膨胀系数等方面的优势，而被广泛地用作航天器表面材料、轻质基底和结构材料。大量空间飞行试验及地面模拟试验表明，当航天器在空间低地球轨道环境中运行时，原子氧对航天器表面的高温氧化、高速撞击会使大部分聚合物材料受到严重侵蚀，产生质量损失、厚度损失、光学、热学、电学及机械参数退化，以上效应会导致航天器性能下降、寿命缩短、系统设计目标失败，从而影响航天器的正常工作和使用寿命。为了保障航天器在轨长期可靠运行，提高航天器用聚合物薄膜材料的抗原子氧剥蚀性能是十分重要和必要的。

目前，提高航天器材料抗原子氧剥蚀性能的方法大体可以分为两类。一是从体相改变材料，包括通过共混或共聚添加抗原子氧剥蚀组分获得体相复合材料，或是重新设计材料的分子组成和结构，构造出抗原子剥蚀的新材料。中国专利CN1583874A公开了一种通过在聚合物基体中共混添加不与原子氧反应的纳米颗粒材料，获得了具有较好抗原子氧剥蚀性能的聚合物/纳米颗粒复合材料。中国专利CN105906813A通过复杂的共聚反应，获得的聚酰亚胺/聚二甲硅氧烷规整嵌段聚合物薄膜相比传统方法制备的聚酰亚胺薄膜具有更好的抗原子氧性能。然而这类从体相改变材料的组分或者结构提高材料的方法对抗原子氧性能提高有限，且存在使基体材料的力、热或光学性能下降的问题。

另外一类则是通过涂覆、离子注入、电子辐照、激光融覆等方法在材料的表面形成抗原子氧防护层，其中防护层可以是耐原子氧的金属或金属氧化物(如Ge、TiO₂、SiO₂和Al₂O₃等)，也可以是与原子氧作用形成耐原子氧的无机或有机化合物。美国专利US5312685公开了一种有效的抗原子氧防护涂层，其中的有机物基质包含两种以上界面，其中一个界面含有混合金属催化剂，促使原子氧反应生成分子氧，另外一个界面为氧化铝、氧化硅等抗原子氧防护涂层；美国专利US006872457B2公开了一种聚酰亚胺硅氧烷与树脂的复合涂层，涂覆于聚酰亚胺表面上，有效地提高了聚酰亚胺的抗原子性能。尽管涂覆层能在不影响基体的机械和热学性能的基础上一定程度地起到抗原子氧刻蚀的作用，但是这种方法普遍存在一些问题：(一)因加工、运输、储存、空间碎片撞击以及原子氧作用后发生收缩等原因容易造成缺陷和裂痕，从而导致基底材料出现“淘蚀”现象；(二)防护层与基底结合不牢固。为规避这些问题，最近中国专利CN105835498A公布了一种通过转移的方法，实现了将玻璃上的表面改性后的二氧化硅气凝胶薄膜转移至聚酰亚胺薄膜基底上，获得了一种单面抗原子氧的聚酰亚胺薄膜。这一方法有效地解决了防护层与基底结合不牢的问题，并且在一定程度上可以避免材料由于出现缺陷和裂痕造成的“淘蚀”现象。

显然，即使是通过制备防护层保护基体材料不受原子氧侵蚀的方法，也还是不可避免地造成基体材料的光学性能下降，这对于航天器中一些需要透光的部位，如太阳能帆板来说将直接影响太阳帆板的发电效率。目前尚未有专利涉及同时提高聚合物薄膜的透光率和抗原子氧剥蚀性能的方案。

发明内容