[发明专利]一种单面耐原子氧聚酰亚胺复合薄膜材料及其制备方法

说明书

一种单面耐原子氧聚酰亚胺复合薄膜材料，由SiO₂和聚酰亚胺组成，整体为三层复合结构，基体为聚酰亚胺薄膜，过渡层为聚酰亚胺纳米纤维膜与SiO₂复合层，表层为致密的纯SiO₂层，具有三级抗原子氧功能，抗原子氧性能优异。该复合薄膜的制备方法为首先将聚酰胺酸溶液均匀地涂覆在基板上，然后将吸附有饱和硅化合物溶液的聚酰亚胺纳米纤维膜均匀地铺展在涂覆聚酰胺酸的基板上，再经过静置和热环化处理，最终制得单面耐原子氧聚酰亚胺复合薄膜材料。本发明的方法实施过程简单，条件易满足，适用于所有体系的聚酰亚胺，并且所制得的耐原子氧聚酰亚胺复合薄膜材料具有表层致密、无开裂、界面粘结性能优异以及SiO₂层厚度可调可控的优点。

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，尤其是涉及一种单面耐原子氧聚酰亚胺复合薄膜材料及其制备方法。

背景技术

原子氧(atomic oxygen)是低地球轨道(Low Earth Orbit，LEO)空间环境的主要组成成分之一，具有强氧化能力。同时，由于航天器是长时间高速运行在低地球轨道中，所以加强了原子氧撞击航天器表面的能力。在原子氧氧化和撞击的双重作用下，航天器表面的聚合物薄膜发生化学反应和物理损伤，致使热学、光学和力学性能退化和逐步失效。聚酰亚胺(PI)薄膜作为一类综合性能十分优异的芳杂环聚合物材料，以其优异的耐高低温性能、力学性能、绝缘性能、耐空间辐照性能和阻燃自熄的特性，成为航空航天领域不可或缺的高性能材料之一，被大量应用于空间飞行器的热控材料、轻质太阳能电池阵列的柔性基板以及电路系统的绝缘保护层等。然而，如果PI薄膜直接暴露于富含原子氧的环境中，长时间服役最终将会导致其完全氧化分解成为碳氧和碳氮等气体挥发物，这些逸出物还有可能对航天器造成后果更为严重的二次污染，从而严重影响航天器的设计状态和使用寿命。

因此如何提高聚酰亚胺抗原子氧能力对于保障空间飞行器的使用寿命具有重要的意义。国内对于耐原子氧材料的研究起步较晚，在2000年以前，我国没有在低轨道长期(5年以上)运行的卫星，而前苏联和平号空间站(Mir)以及目前的国际空间站(ISS)已经能够在低地球轨道运行十余年以上，因此发展耐原子氧材料不仅仅是一项研究工作，更是我国航天航空工业发展壮大的迫切需要。

目前对PI薄膜材料进行耐原子氧防护的方法主要有两种：一是通过在PI分子主链中引入某些特定的基团或原子(如磷、硅、锆和POSS结构单元等)，它们在原子氧的氧化作用下会形成无机氧化物层，从而赋予PI抗原子氧性能，如专利CN101402796A曾采用此方法制备出抗原子氧剥蚀的聚酰亚胺材料。但是测试结果显示该方法对PI的抗原子氧性能的提高有限，并且研究成本较高，工艺复杂不易实现工业化。二是在聚酰亚胺薄膜的表面直接涂覆具有抗原子氧特性的涂层，如SiO₂、Al₂O₃等。表面涂覆法研究成本较低，结构易于设计，工艺简单，成为当下人们普遍采用的方法。如专利CN1629225A曾公开了一种在聚酰亚胺薄膜表面涂覆抗原子氧涂层的方法。但是因异质界面的存在，采用直接外部涂覆法所制得的材料，涂层与PI基体之间往往呈完全或半分离的状态，没有很强的界面相互作用，极易发生涂层断裂、分层、脱落的现象，尤其是在剧烈的冷热循环情况下。

发明内容

本发明的目的在于解决现有材料和技术的不足，提供一种单面耐原子氧聚酰亚胺复合薄膜材料及其制备方法。本发明的方法实施过程简单，条件易满足，适用于所有体系的聚酰亚胺，并且所制得的耐原子氧聚酰亚胺复合薄膜材料具有结构致密、无开裂和界面粘结性能优异的特点。