孙俊奇：可自发修复损伤的具有高强度力学性能的原子氧防护聚合物涂层

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以聚酰亚胺为代表的聚合物材料，因具有质量轻、柔性好、热稳定性高等优点而在航天器上被大量地使用。然而，当航天器在距地200 ~ 700 km的近地轨道运行时，聚合物材料会受到遍布于近地轨道的、能量高达4.2 ~4.5 eV的原子氧的剧烈侵蚀。这种侵蚀会导致材料机械强度和功能的严重退化，进而威胁航天器的运行安全。为了提高材料的安全性和稳定性，科学家们设计并制备了各种各样的原子氧防护涂层，并成功应用到了航天器上。但是，原子氧防护涂层在航天器上服役时往往会发生破损，而导致其防护能力的丧失。这是因为，一方面，航天器在环绕地球飞行时，会频繁经历一个温度范围在-100~100 °C的热循环，涂层随之会频繁地膨胀和收缩产生破裂；另一方面，宇宙空间中的宇宙垃圾、微流星与航天器发生碰撞后也会导致涂层的破损。而航天器一旦入轨运行，破损的原子氧防护涂层难以被人工修理或更换。

图1.自修复超分子聚合物原子氧防护涂层

针对这个问题，近日，吉林大学孙俊奇教授研究小组首次报道了一种可以“自发”修复深达基底的裂痕的基于超分子聚合物的原子氧防护涂层。构成该涂层的超分子聚合物以2-脲基-4[H]啶酮（UPy）衍生的笼型倍半硅氧烷（POSS）为单体（UPy-POSS），通过UPy之间的四重氢键相互连接而构成。所制备的超分子聚合物可以通过热压的方法涂覆在聚酰亚胺等聚合物的表面，形成透明而致密的原子氧防护涂层。因UPy被衍生在具有八面体构型的POSS的8个顶点上，所形成的UPy-POSS超分子聚合物呈现一种高交联度的三维立体结构。这种结构赋予了UPy-POSS超分子聚合物涂层优异的机械强度，经测量其杨氏模量与聚酰亚胺相当，可达 ~4.5 GPa。另外，UPy-POSS上的二级胺能与聚酰亚胺的含氧基团形成氢键，而使涂层牢固地粘附在聚酰亚胺表面。涂层在经受数以千次的弯折和频繁的温度范围为-196~100 °C的热循环后仍能稳定地附着在聚酰亚胺表面。研究人员使用空间原子氧地面模拟器对UPy-POSS涂层的原子氧防护能力进行了详细验证。当经历1.96 ×1020 atom cm-2通量的原子氧侵蚀后（约等于在近地轨道运行6个月），裸露的聚酰亚胺的表面被刻蚀成了粗糙的“地毯”状。而覆盖有UPy-POSS涂层的聚酰亚胺表面形貌没有发生明显的变化。UPy-POSS超分子聚合物涂层良好的原子氧防护能力源于涂层表面的UPy-POSS被氧化后所形成的致密二氧化硅钝化层。二氧化硅与原子氧具有很低的反应活性，因此可阻挡原子氧进一步侵蚀其所保护的聚合物。UPy-POSS之间的氢键赋予该原子氧防护涂层优异的修复物理损伤的能力。当破损的UPy-POSS涂层在80 °C下加热2 min后，扫描电子显微镜照片显示其表面深达基底的裂纹可被完全修复。航天器在近地轨道被阳光照射时，其表面温度可达~100 °C。因此，当航天器一旦飞行到受太阳照射的一侧，受损的UPy-POSS原子氧防护涂层就可被“自发而迅速”地修复。

该研究工作创造性地制备了兼具高强度、透明、与基底粘附力强的“自修复”超分子聚合物原子氧防护涂层，其对提高航天器的安全性、延长航天器的服役寿命具有十分重要的意义。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803854