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航天器表面金光闪闪的薄膜原来是用了这种材料

  航天器表面金光闪闪的薄膜是聚酰亚胺的高性能聚合物材料与金属材料复合而成。它能在-100℃到300℃的温度区间内安全可靠地工作,并且具备极强的抗氧化和抗腐蚀能力,能在太空中保护航天器上的敏感设备,使其免遭来自高速微粒、剧烈温度变化的伤害。

  中国每年都要发射多颗卫星以及各类空间探测器,细心的人可能会发现,有一些航天器外面覆盖了一层金灿灿或者银闪闪的薄膜,不知你有没有想过,这种薄膜究竟是什么,为什么航天器的外表要有这种薄膜覆盖呢?

  航天器外边包裹的这个东西并不是金箔或者银箔,而是一种名叫聚酰亚胺的高性能聚合物材料与金属材料复合而成的薄膜。

  航天器的主要工作环境是在地球大气层外的太空,而太空的真实环境其实并不友好,无时无刻不受到各类射线辐射以及高能粒子攻击。而且,因为缺少大气层对紫外线的阻挡,来自太阳的紫外线辐射也会让航天器的材料过早氧化、分解、失效。

  另外,太空是高度真空的环境,缺少了空气的传热与散热(真空保温效果非常好),这使得在轨运行的航天器的表面温度处于一面火一面冰的状态。其受阳光直射面的温度高达一百多摄氏度,而与之对应的没有阳光照射的背面就会低至零下一两百摄氏度。

  所以在太空中,宇航员如果要进行出仓行走,就必须要穿着厚厚的宇航服,而航天飞行器在外太空的工作时间更长,极端的工作环境会加速航天器材料的失效,给航天器的光机电等系统的正常工作带来了严峻的考验,所以给航天器穿上保护外衣是必不可少的。

  太空的真空、高低温、辐照、失重的环境,对航天器的保护衣提出了苛刻的要求。于是,聚酰亚胺及以它为主体制备的多层隔热材料(MLI)就登场了。

  聚酰亚胺是采用高温热处理聚酰胺酸溶液(有机芳香四酸二酐和有机芳香二胺二者反应后形成),使聚酰胺酸脱水环化的方法合成的。

  这种材料的最牛之处就是其超强的耐热性能和超宽的温度使用范围。一般情况下,生活中常用的高分子材料,比如可在微波炉加热用的聚丙烯塑料,其使用温度区间不过是-20℃到120℃。而聚酰亚胺在-100℃到300℃的温度区间内,都能安全可靠地工作。

  不仅如此,它的机械性能也很优秀,在材料密度不到钢的六分之一的情况下,即使是不使用增强材料的聚酰亚胺基体材料,其抗拉强度也在100-400MPa之间,而经过增强以后的聚酰亚胺机械性能会有更大的提升,强度甚至超过普通钢材一两倍。

  另外,聚酰亚胺还具备极强的抗氧化和抗腐蚀能力,普通的有机溶剂基本对它造成不了伤害。

  既然是作为“多层隔热材料”应用到航天器外表,那么也就不仅只是一层聚酰亚胺薄膜了,实际使用的“多层隔热材料”上除了聚酰亚胺还复合了金属材料,航天器上常见的MLI薄膜主要是聚酰亚胺与铝的复合物。

  之所以选择铝与聚酰亚胺搭配使用,而不是将更贵的金银铂等作为首选材料,仅仅是因为更合适,并非只是考虑铝的价格比较实惠。

  (左为常用金属膜的反射率(实线)和吸收率(虚线)曲线,右为金银铜铝的对比)

  对比不同波长上(紫外到红外区域)不同的金属材料的反射率和吸收率,可以发现,金和银在特定的工作波段拥有极高的反射率,而铝在紫外到红外区域都拥有很高的反射率,而其他金属材料在这一波段范围都比较差。

  反射率越高,则吸收率越低,这样就能将太阳的大部分能量反射走,因而隔热效果就很优秀。也正因为这点,像一些大口径反射式天文望远镜的反射镜材料用的也是铝。不过,如果有特殊的工作波段需求,则还是会考虑选择金、银等材料,不同的金属材料选择会使得最后的聚酰亚胺多层隔热材料颜色种类十分丰富。

  而随着科技的不断进步,不同功能的聚酰亚胺薄膜也被发展出来,人们会在制备的过程中加入一些不同苯环原料和有颜色的纳米材料来对薄膜进行改变。

  具体来说,首先,多层隔热材料是在聚酰亚胺薄膜表面通过热蒸发、溅射和离子镀等物理气相沉积的方法镀上一层铝,而根据使用环境的要求不同还会沉积上氧化硅或者在黄色聚酰亚胺薄膜上涂布热固性黑色耐高温环氧树脂等等。

  另外还有一些像中间含铝层的三明治结构聚酰亚胺薄膜设计(中间是铝层,两面聚酰亚胺),这些不同的薄膜大大丰富了聚酰亚胺材料体系。

  其次,聚酰亚胺的应用不仅仅只是多层隔热材料,在电子通讯与光电显示等领域也出现了新型聚酰亚胺材料的应用,而特异性使用需求,要在聚酰亚胺成型之时,加入其他材料,以符合特定使用需求的要求。

  比如用在LED背光源上的白色聚酰亚胺薄膜,具有耐高温、长时间使用不变色、不掉粉的特定,可以提高产品的光反射及色源稳定性。而黑色聚酰亚胺膜对线路的遮蔽性更好,会被用于手机等电子设备。

  此外,其他的一些无色透明聚酰亚胺产品则可以通过分子设计的方式,新合成不同类的二酐和二胺单体,最后聚合形成无色透明的薄膜,其光学性能会进一步改善,具备在未来替代玻璃作为新一代OLED屏幕设备或者成为柔性太阳能电池衬底的条件。

  除了上述提到的使用温度范围跨度大、机械性能优良、稳定性高、耐辐照性能优异等优点外,聚酰亚胺还具有良好的介电性能(介电常数约为3.4)。

  通过在体系分子结构中引入氟或者材料成型过程中人为造成纳米尺度的空腔,还可以将介电常数调整到2.5左右。这使得它的介电损耗相对较低,并且这个数值水平还能在宽广的温度范围和频率范围内继续保持。

  加上聚酰亚胺还是自熄性聚合物(离开火源后会自行熄灭)、无毒(部分产品还有很好的生物相容性),这些特性进一步拓宽了聚酰亚胺的使用范围,在微电子、纳米、液晶、分离膜、激光都能见到它的身影。

  业内有一种说法:“没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术”,聚酰亚胺在微电子器件中,首先可以用作介电层进行层间绝缘;其次还可以作为缓冲层减少应力、提高成品率;最后还能用作保护层减少环境对器件的影响(能屏蔽各类辐射粒子,减少器件的软误差)。

  近年来,随着电子工业的发展,高性能聚酰亚胺薄膜又成为微电子制造与封装的关键材料,广泛应用于超大规模集成电路的制造、自动接合载带、柔性封装基板、柔性连接带线等方面。

  在环保领域,聚酰亚胺具备的耐高温、耐辐射、稳定性强等优势,使之可以有更为广泛的使用范围。由聚酰亚胺纤维织成而成的无纺布,可在高温、放射性、有机气体及液体的特殊复杂环境下用作过滤网,在核工业、地矿、石化、油田等行业有大量的需求。

  日常生活中,聚酰亚胺良好的耐热性和隔热性能,也让它成为了隔热、透气、柔软的阻燃工作服、隔火毯的最优选择。而航天器上用的多层隔热材料简单改进就是民用版本的急救毯,与航天器上的作用一样,能有效反射人体发出红外线,在紧急情况下维持人体体温。

  聚酰亚胺的合成过程并不复杂,但如果考虑到聚合物分子量、均一度等影响性能的因素,如何大批量地合成高质量的聚酰亚胺材料其实是很有挑战的。特别是具有特殊使用需求的聚酰亚胺材料,合成过程还要考虑复合、掺杂等等因素,合成工艺更加复杂。

  目前国内外能大量生产聚酰亚胺材料的厂家并不多,而中国从上世纪60年代发展航空航天技术开始,就开启了对聚酰亚胺的系统研究。不过,早些年由于生产成本高、未解决复杂工艺难度问题等原因,聚酰亚胺材料无法进行大规模产业化生产,使用的范围仅局限于军工、航天等高端行业。

  近年来,凭借在技术和工艺上的突破,中国聚酰亚胺的整体产量和质量都有了很大的飞跃,对应的应用面也拓展到微电子、纺织、环保、交通等多个领域。

  比如聚酰亚胺纤维工业化应用,世界上第一款可实际应用的高强度聚酰亚胺纤维产品就是由中国创造,相关的生产线已经成功试车。

  (聚酰亚胺特种纤维可应用于卫星天线、防弹应用等生命防护领域,以及橡胶制品增强材料使用)

  与之相关的聚酰亚胺纳米纤维隔膜也是中国在锂电行业的具有自我知识产权的创新型产品。采用了聚酰亚胺隔膜的镍钴锰型锂离子电池产品的快速充放电、安全性、循环寿命和温度特性等方面远远优于现有产品,对锂电池行业而言是一个革命和颠覆性的产品

  随着中国对聚酰亚胺研究的不断深入,相关技术也更加完善,产量有了进一步的提高,生产成本逐渐降低。

  虽然中国整体的高分子材料发展水平相比发达国家还有一些距离,但在产业升级过程中,中国在以聚酰亚胺为例的高分子材料的生产和使用上都逐渐缩短了和第一梯队的差距,未来有希望更进一步的打破国外公司在这一领域的垄断。

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