用于先进太空应用的导电聚酰亚胺/石墨烯纳米复合材料

《Macromolecular Symposia》：Electrically Conductive Polyimide/Graphene Nanocomposites for Advanced Space Applications

多聚酰亚胺/石墨烯纳米片复合材料通过环保溶剂制备，研究了不同浓度填料对材料性能的影响。结果显示复合材料具有优异的辐射稳定性、低密度（1.447-1.582 g/cm3）、高水接触角（94°-107.6°）和热稳定性（Tg接近200℃），同时电导率随填料浓度增加显著提升，适用于低地球轨道太空环境

　　在太空探索与应用领域，材料的选择和性能优化一直是科研和技术发展的核心议题。由于太空环境的极端性，如强烈的宇宙辐射、极端的温度波动以及潜在的静电放电风险，传统聚合物材料在面对这些挑战时往往表现出一定的局限性。因此，开发具有优异性能的新型复合材料成为提升航天器耐久性和功能性的关键方向。近年来，芳香族聚酰亚胺（PI）因其卓越的热稳定性、化学稳定性以及机械性能，被广泛认为是太空应用的理想候选材料。然而，为了进一步增强其在复杂环境下的适应能力，研究者们开始探索将功能性填料引入PI基体中，以构建具备更全面性能的纳米复合材料。其中，石墨烯纳米片（GNP）作为一种具有高比表面积和优异导电性的新型纳米材料，为PI复合材料的性能提升提供了新的可能性。

本研究聚焦于一种基于芳香族和氟化聚酰亚胺基体，并填充石墨烯纳米片的纳米复合材料的制备与性能评估。这种材料不仅具备高辐射耐受性，还通过引入GNP增强了其表面特性、热稳定性以及导电能力。为了实现环保和可持续的目标，研究采用了生物基溶剂——二甲基异山梨醇（DMI）作为聚合物合成与复合材料加工的溶剂。相较于传统有机溶剂，DMI具有较低的毒性，有助于减少对环境和人体健康的潜在危害，同时也符合现代材料科学中对绿色制造工艺的追求。

研究首先对PI/GNP纳米复合材料的形态和表面特性进行了系统的实验分析。通过光学显微镜观察，研究人员发现随着GNP填充量的增加，其在PI基体中的分散程度逐渐降低。这种现象主要归因于GNP在高浓度时容易形成团聚体，从而影响材料的均匀性和性能表现。为了量化这一分散程度，研究团队利用MATLAB算法计算了分散指数（I），该指数在不同填充浓度下呈现出显著的变化。例如，当填充量为5%时，I值为0.273 ± 0.005，而填充量达到20%时，I值降至0.139 ± 0.011。这一趋势表明，GNP的填充量对材料的微观结构具有重要影响，且填充量越高，团聚现象越明显。

此外，研究还对PI/GNP复合材料的厚度和密度进行了测量。结果显示，随着GNP含量的增加，复合材料的厚度呈现出上升趋势，而密度则在一定程度上有所增加。例如，纯PI的密度为1.447 ± 0.023 g/cm3，而填充20% GNP的复合材料密度则提升至1.582 ± 0.021 g/cm3。这种密度的变化在航天应用中具有重要意义，因为材料的轻量化是航天器设计的重要考量因素之一。研究团队指出，尽管密度略有上升，但所有PI/GNP复合材料的密度均低于1.6 g/cm3，表明其仍具备良好的轻质特性，适用于需要减轻重量的航天结构或组件。

在表面特性方面，研究通过水接触角（WCA）分析揭示了PI/GNP复合材料的显著增强的疏水性。纯PI的WCA为94.4°，而当GNP含量增加至20%时，WCA提升至107.6°，显示出材料在高填充量下具备更强的抗湿性。这种疏水性对于太空应用至关重要，因为太空环境中的湿度变化可能会对材料的性能产生不利影响，例如导致材料降解或影响其电气特性。同时，研究还计算了表面自由能（SFE），发现随着GNP含量的增加，SFE值呈现下降趋势。表面自由能的降低进一步佐证了材料疏水性的增强，表明其表面能与水的相互作用显著减少，从而降低了吸湿倾向。

在热性能方面，研究利用差示扫描量热法（DSC）测定了PI/GNP复合材料的玻璃化转变温度（Tg）。所有样品的Tg均接近200°C，表明其在高温环境下仍能保持结构稳定，具备良好的耐热性。这一特性对于航天器在低地球轨道（LEO）中可能经历的极端温度变化尤为重要。PI材料本身已具备较高的热稳定性，而GNP的引入并未对其热性能造成明显负面影响，反而可能通过增强材料的结构均匀性而间接改善其热行为。此外，Tg值的稳定性也说明了复合材料在热处理过程中表现出良好的加工性能。

在电性能方面，研究发现随着GNP含量的增加，材料的表面导电性显著提升。纯PI样品的表面导电性为零，表明其为良好的绝缘材料，而当GNP含量增加至20%时，表面导电性达到2.361 ± 0.356 mS/sq。这一变化可归因于GNP之间的π-π相互作用，使得电子在材料表面能够更有效地传输。增强的导电性对于航天器的传感器应用具有重要意义，因为它可以有效减少静电积累，从而降低静电放电（ESD）的风险。静电放电在太空环境中可能对电子设备造成严重干扰，甚至引发安全事故，因此，具备导电性能的材料能够为航天器提供额外的防护。

为了进一步验证PI/GNP复合材料的结构和化学特性，研究团队进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。结果显示，PI和PI/GNP复合材料均表现出典型的酰亚胺键特征吸收峰，包括1785 cm?1和1720 cm?1处的不对称和对称C=O伸缩振动峰、1376 cm?1处的C─N键伸缩振动峰以及722 cm?1处的C=O弯曲振动峰。这些特征峰的存在确认了聚酰亚胺的成功合成，并且在引入GNP后，酰亚胺键的形成并未受到干扰，表明GNP的加入对材料的化学结构具有良好的兼容性。

此外，研究还利用扫描电子显微镜（SEM）和3D表面重构技术对复合材料的表面形貌进行了详细分析。SEM图像显示，随着GNP含量的增加，材料表面的粗糙度显著提升。为了更精确地评估这一变化，研究团队采用MountainsMap软件对SEM图像进行了处理，计算了不同填充浓度下的表面粗糙度值。结果显示，纯PI的表面粗糙度为1.47 ± 0.31 μm，而填充20% GNP的样品表面粗糙度增加至12.24 ± 3.81 μm。这一趋势表明，GNP的引入不仅改变了材料的表面形态，还可能对其功能性能产生影响。例如，更高的表面粗糙度可能会增强材料的机械强度，但同时也可能影响其表面能与外界物质的相互作用。

为了全面评估PI/GNP复合材料的性能表现，研究团队还进行了多种实验测试，包括厚度、密度、表面导电性、表面自由能以及热稳定性等。这些测试结果共同构成了对材料综合性能的评估体系。从实验数据来看，所有PI/GNP复合材料均表现出良好的物理和化学特性，尤其在高填充量下，其疏水性、导电性和热稳定性均得到了显著提升。这种性能的增强使得材料在多个航天应用场景中展现出广泛的应用潜力，例如用于航天器外壳、传感器组件或抗菌涂层等。

值得一提的是，本研究在材料制备过程中采用了环保型的生物基溶剂DMI，这不仅降低了对环境的污染，也提高了材料制备过程的安全性。相比传统的有机溶剂，DMI的低毒性特性使其在实验室操作和工业生产中更加友好，符合现代材料科学对可持续发展的要求。此外，研究还采用了多种先进的实验技术，如光学显微镜、FTIR光谱、DSC分析以及SEM和3D表面重构，以确保对材料性能的准确评估。

在结论部分，研究团队指出，所制备的PI/GNP纳米复合材料在多个方面均表现出优异的性能，使其成为太空应用的理想材料。首先，材料的疏水性显著增强，有助于其在高湿度或极端环境下保持结构完整性。其次，材料的轻质特性使其在航天器设计中具有优势，能够减少发射成本和能耗。第三，其优异的热稳定性确保了在太空极端温度条件下仍能正常工作。最后，GNP的引入使得材料具备一定的导电性，有助于预防静电放电，提高航天器的安全性。这些特性使得PI/GNP复合材料在低地球轨道（LEO）及其他太空环境中具有广阔的应用前景。

在实验方法部分，研究详细描述了材料的合成与表征过程。首先，研究团队从商业供应商处获取了高品质的GNP（纯度为98.5%），并将其与芳香族和氟化聚酰亚胺基体按照不同的重量比进行混合。随后，通过超声处理和搅拌操作，将GNP均匀分散在PI溶液中。在材料制备过程中，采用了真空加热工艺，以确保材料在高温下能够稳定成型。在表征方面，研究团队采用了多种手段，包括厚度测量、密度分析、WCA测试、SFE计算、FTIR光谱分析、DSC测试以及表面形貌观察等，以全面评估材料的性能表现。

通过这些实验方法，研究团队不仅获得了材料的宏观性能数据，还深入探讨了其微观结构对性能的影响。例如，表面粗糙度的变化与GNP的分散程度密切相关，而WCA和SFE的变化则反映了材料表面特性的改善。此外，FTIR和DSC分析结果表明，GNP的引入并未影响PI的化学结构和热行为，反而在某些方面增强了其性能。这些发现为未来进一步优化PI/GNP复合材料提供了重要的理论依据和实验支持。

综上所述，本研究成功制备了一种基于芳香族和氟化聚酰亚胺基体、填充石墨烯纳米片的纳米复合材料。通过采用环保型生物基溶剂，研究团队在保证材料性能的同时，降低了制备过程对环境的影响。实验结果显示，该材料在疏水性、热稳定性、导电性等方面均表现出显著的优势，使其在航天领域具有广泛的应用潜力。未来，随着对材料性能的进一步优化和对实际应用场景的深入研究，PI/GNP复合材料有望成为新一代航天材料的重要组成部分。