[发明专利]一种单面抗原子氧的聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单面抗原子氧的聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法，主要是应用于在太空飞行中的航天器，更确切地说涉及一种航天器用含气凝胶抗原子氧聚酰亚胺薄膜及其制备方法，属于航天材料应用技术领域。

背景技术

在太空中尤其是近地轨道(LEO)空间环境中存在大量的原子氧，原子氧本身的高能量会造成飞行器上聚合物材料的剥蚀，从而导致其性能的劣化。另一方面，聚合物的剥蚀产物还可能会对航天器表面、光学组件、热控涂层以及太阳电池板等带来二次污染。近年来，聚合物材料的原子氧效应研究受到了越来越广泛的重视，它不仅是LEO空间环境效应研究中的一项重要内容，同时也是航天器设计所必须考虑的关键因素之一。

目前航天器使用的抗原子氧薄膜主要为Kapton型聚酰亚胺薄膜。Kapton是美国杜邦公司生产的聚酰亚胺(PI)薄膜材料的商品名称。聚酰亚胺(PI)是20世纪50年代发展起来的耐热性较高的一类高分子材料，被称作为超越时代的材料，高温下具备的卓越性能，能够与某些金属相媲美，是目前所有报道的有机聚合物材料中具有最高耐温等级的聚合物。此外，它还具有优良的化学稳定性、耐磨性、阻燃性、电绝缘性、坚韧性以及其它机械性能。聚酰亚胺可以用多种途径合成，并可用各种方法加工成型，因此在航空、航天领域广泛使用。但美国宇航局(NASA)的飞行试验和一些地面模拟试验表明：Kapton暴露空间环境后，产生质量损失和厚度变化，热学、光学、机械性能等也发生了明显改变。因此，研究Kapton在原子氧作用下其表面的侵蚀规律，并探索有效的防护途径是很必要，也是很有意义的。

前期的抗原子氧研究基本集中在基膜上增加镀层已完成对基膜的防护，优点是能够有效地保持基膜原有的机械性能，缺点是保护层的牢固程度很难提升，存在很多潜在的被破坏危险。现阶段科学家们更加关注原位掺杂改性来提高Kapton薄膜的抗原子氧特性。掺杂后薄膜往往耐高低温冲击性能和力学性能会降低，因此在提高材料的抗原子氧特性的同时，需要考虑更多的空间环境因素。

航天器在LEO空间环境中，裸露在空间中的部位如不需要透光的部位可以通过在其表面镀一层金属膜的方法使其免受原子氧的侵蚀，但对于需要透光的部位如太阳能帆板，一般在其表面贴覆一层聚酰亚胺基膜，但抗原子氧性能不佳，直接影响太阳能帆板的寿命，为了解决这一问题，可以在聚酰亚胺基膜上面蒸镀一层二氧化硅薄膜，但该二氧化硅薄膜与聚酰亚胺基膜的界面相容性差，容易脱落；还可以通过将纳米二氧化硅掺杂到聚酰亚胺基膜内，但得到的复合薄膜的力学性能差，大大地限制其使用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种单面抗原子氧的聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法。

本发明的技术解决方案是：

一种单面抗原子氧的聚酰亚胺复合薄膜，该复合薄膜包括上下两层，上层为复合材料层，下层为聚酰亚胺基膜，该复合材料层包括聚酰亚胺基膜和表面改性后的二氧化硅气凝胶薄膜；

所述的二氧化硅气凝胶薄膜的制备方法为：

(1)将基片进行表面超声清洗后烘干；清洗步骤为：先使用丙酮超声清洗，然后使用无水乙醇超声清洗，最后使用蒸馏水超声清洗；

(2)二氧化硅溶胶的配制：采用酸/碱二步催化工艺制备二氧化硅溶胶，具体步骤为：第一步，将TEOS、EtOH和去离子水以1：3：6的摩尔比进行混合并磁力搅拌30min，接着将6.0×10^-4mol氯化氢的无水乙醇溶液加入上述溶液中并继续回流搅拌50min；第二步，在酸催化过的溶液中加入0.04mol氨水搅拌10s后静置10s-20min，得到二氧化硅溶胶，其粘度为20-1000mPa·S；二氧化硅溶胶中各组分的最终摩尔比是TEOS:EtOH:H₂O:HCI:NH₄OH＝l:3:6:6.0×10^-4:4.0×10^-2；

(3)二氧化硅气凝胶薄膜的制备：采用浸渍提拉法制备二氧化硅气凝胶薄膜，将步骤(2)得到的二氧化硅溶胶倒入容器中，迅速将步骤(1)得到的基片垂直插入到容器中的二氧化硅溶胶内，并用手轻按住基片上方，使其固定不动，同时，保持二氧化硅溶胶以5-30cm/min的速度流出，待二氧化硅溶胶流完后，将基片取出并迅速浸入无水乙醇溶液中进行老化然后取出，重复浸入-取出过程三次，每次浸入6-24h，然后使用正己烷进行溶剂交换，溶剂交换12-24h，以使二氧化硅气凝胶薄膜中的水和无水乙醇全部被正己烷取代，得到二氧化硅气凝胶薄膜；