耐原子氧聚酰亚胺纤维的多层次结构调控和抗蚀性能

Upon exposure to atomic oxygen in low earth orbit, high performance fibers used extensively in spacecraft are severely eroded, which affect the security of spacecraft. An effective approach to prevent this erosion is to incorporate atomic oxygen resistant groups by copolymerization into the polyimide fibers matrix. For this reason, a series of durable polyimide fibers will be synthesized and spun in the project, and the objectives of the research are to identify the correlation of spinnability, mechanical properties with molecular chain structure and the relationship between the chemical structures, content and the distribution of atomic oxygen resistant groups and the resistance to atomic oxygen. Moreover, the mechanism of corrosion resistance will be analyzed in detail. Undoubtedly, the research results have important theoretical and experimental values in mass production of durable high performance fibers.

航天器外部的高性能纤维面临原子氧剥蚀，影响其在低地球轨道的安全运行。本项目发挥聚酰亚胺纤维的分子结构和纺丝工艺的可调控性优势，在分子链中引入耐原子氧基团，对分子结构以及聚集态结构进行多层次结构设计，制备耐原子氧聚酰亚胺纤维。在此过程中，系统研究聚酰亚胺的分子结构与可纺性和纺丝工艺的相关性；深入研究聚酰亚胺分子中耐原子氧基团的结构、含量、分布以及纤维的多层次结构与纤维耐原子氧性能间的相关性。阐明纤维耐原子氧剥蚀机制。为航天器可用的耐原子氧高性能纤维的产品设计和制造提供理论依据。

聚酰亚胺纤维广泛应用于各种航天器舱外使用的索网、系绳等纤维组件。这些纤维组件暴露于低轨道空间环境中，遭受原子氧破坏，极易断裂。因此，聚酰亚胺纤维需要进行耐原子氧防护或者使用耐原子氧材料。本项目在聚酰亚胺纤维结构中引入耐原子氧基团（磷或硅），对聚合物分子结构以及聚集态结构进行多层次结构设计，制备出耐原子氧聚酰亚胺纤维，并在地面模拟原子氧设备中评价其耐原子氧性能。.本项目深入研究了聚酰亚胺纤维在原子氧暴露实验前后的质量损失、表面形貌、化学组成和力学性能的变化。结果表明，含磷聚酰亚胺纤维具有很好的耐原子氧性能。随着含磷单体增加到60%，含磷聚酰亚胺纤维的质量损失从88.6%下降到48.7%，而断裂强度的保持率从57%增加到 84%，初始模量的保持率从48%增加到82%。表面电子能谱分析表明，在原子氧辐照过程中，氧化膦转化为磷酸盐沉积在纤维表面，形成阻挡原子氧破坏纤维的保护层。.含硅聚酰亚胺纤维也显示出独特的耐原子氧性能。含硅聚酰亚胺纤维中不同位置硅元素含量的分析表明，在含硅聚酰亚胺纤维的湿法纺丝过程中，含硅组分富集于纤维表面，从而进一步增强了聚酰亚胺纤维的耐原子氧性能。当含硅组分增加到20%时，断裂强度的保持率从54%增加到93%，初始模量的保持率从64% 增加到91%。表面元素分析证明，在原子氧辐照后，硅氧烷转化为氧化硅，这一无机惰性层抑制了原子氧对纤维的继续剥蚀。.本项目所合成的含硅或含磷聚酰亚胺纤维在原子氧暴露实验中展示出优异的耐原子性能，使之有望替代目前空间应用的纤维制品，提升航天器组件的运行安全性和服役周期。