基于动态硼酸-硼氧烷交联的可热封聚酰亚胺薄膜：低热膨胀系数与高性能平衡研究

为满足航天柔性太阳能翼等大型空间基础设施对耐高温、热尺寸稳定性和可热封薄膜材料的需求，研究人员通过引入动态硼酸-硼氧烷交联网络，成功制备了兼具高玻璃化转变温度（Tg>230°C）和低热膨胀系数（CTE=46.08 ppm/K）的聚酰亚胺（PI）薄膜。该材料热封强度达446.62 kPa，热封效率近100%，为航天轻量化结构材料提供了新解决方案。

　　

随着航天技术的快速发展，柔性太阳能翼正逐步取代传统刚性结构，其轻量化和小型折叠包络的优势为航天器设计带来革命性变化。然而，太空环境中太阳辐射引发的热冲击以及柔性阵列尺寸的增大，对材料的尺寸稳定性和热机械性能提出了更高要求。热封技术虽能有效扩大聚合物材料尺寸，但传统粘合剂层复合结构存在界面结合强度低、极端条件下结构稳定性差等问题。更棘手的是，聚酰亚胺（PI）这类高性能材料因其刚性分子链结构导致加工性能差，分子链难以在热加工条件下充分流动，而现有改善热塑性的方法往往以牺牲热稳定性或机械性能为代价。

为破解这一难题，研究人员通过4,4′-氧双邻苯二甲酸酐（ODPA）与3,4′-氧二苯胺（3,4′-ODA）的缩聚反应合成系列不同分子量的PI薄膜，并以3-氨基苯硼酸（PBA）作为封端剂和交联剂。研究创新性地利用硼酸-硼氧烷动态共价键的可逆特性：在低于T_g时，交联网络能抑制分子链热运动降低CTE；在热封过程中，硼氧烷（B₃O₃）的链交换反应促进分子链扩散缠结，从而提升热封性能。

关键技术包括：1）通过FTIR验证B-O键（1360 cm^?1）和B₃O₃（690 cm^?1）特征峰确认交联结构；2）热重分析测定5%热失重温度（T_d5%>540°C）；3）力学测试显示交联后薄膜拉伸强度提升18%至141.1 MPa；4）热机械分析显示CTE降低10%至46.08 ppm/K；5）定制热封强度测试装置量化界面结合性能。

【分子结构设计】通过引入柔性/非共面结构的ODPA-3,4′-ODA主链，配合PBA封端，在保持高热稳定性的同时改善加工性。FTIR证实完全亚胺化和硼氧烷交联结构的形成。

【热机械性能】交联薄膜O3OP-1.03的T_g超过230°C，T_d5%达540°C，CTE降至46.08 ppm/K。动态交联网络在高温下通过B₃O₃重组实现分子链重排，而常温下则发挥尺寸稳定作用。

【热封性能】硼氧烷的链交换反应使热封强度达446.62 kPa（提升21%），效率近100%。分子量调控实验表明，适当降低分子量可平衡交联密度与链流动性。

该研究通过动态共价化学巧妙解决了PI材料热塑性与性能保持的矛盾。交联网络使CTE显著降低，而动态键的可逆性又赋予材料优异的热封性能。这种"刚柔并济"的设计策略为航天柔性功能材料开发提供了新思路，其100%的热封效率对大型空间结构制造具有重要工程价值。论文发表于《European Polymer Journal》，通讯作者为Tian Guofeng和Wu Dezhen。