石墨烯增强抗原子氧聚酰亚胺涂层的空间摩擦学性能研究

本申请在氨基的邻位引入活性的酚羟基，设计制备一种新型含磷氧双键的邻羟基二胺，并基于此采用共聚得到一系列抗原子氧的热塑性聚酰亚胺作为树脂基体；将氧化石墨烯分别经过化学键合和原位聚合插层，制备出氧化石墨烯/聚酰亚胺复合膜，再经高温热处理将氧化石墨烯还原为石墨烯，最终得到石墨烯增强的聚酰亚胺复合膜。在原子氧作用下，含磷聚酰亚胺表面产生磷酸盐（酯）阻止其进一步被侵蚀，而其中复合的石墨烯则仍然起到对基体的增强作用，因此预计经原子氧作用后，含磷聚酰亚胺复合膜的摩擦学性能尤其是其耐磨损能力仍能保持在较高的水平。本申请旨在揭示石墨烯对热塑性聚酰亚胺材料的抗原子氧性能和空间摩擦学性能的影响规律，为开发抗原子氧型聚酰亚胺自润滑涂层材料的研制提供一种新的方法。

我国长寿命空间飞行器的发展迫切需要解决原子氧等空间环境效应下的摩擦润滑与防护问题。本项目旨在研究石墨烯增强含磷聚酰亚胺薄膜的空间摩擦学性能，通过将含磷聚酰亚胺的耐原子氧能力和石墨烯的增强、润滑特性相结合，赋予复合润滑薄膜良好的空间摩擦学性能。首先设计制备了一种新型含磷氧双键的邻羟基二元胺，然后基于此采用共聚合得到一系列抗原子氧的热塑性聚酰亚胺树脂基体；另一方面，将氧化石墨烯分别经过物理共混和化学键合的方法与聚酰亚胺树脂基体进行复合，制备出氧化石墨烯/聚酰亚胺复合膜，再经高温热处理将氧化石墨烯还原为石墨烯，最终得到石墨烯增强的含磷聚酰亚胺复合膜。对所得到的复合薄膜进行了一系列的化学结构和物理形貌等表征，证明获得了预期结构的聚合物复合薄膜，其中采用化学键合法得到的复合膜，石墨烯可以在薄膜中均匀地分布，未发生团聚现象。系统地研究了石墨烯对聚酰亚胺薄膜力学性能、热稳定性、光学性能、介电性能等的影响，发现石墨烯的添加和均匀分散在一定程度上明显提高了薄膜的拉伸强度，降低了介电常数和光学透过性，但对热稳定性没有产生明显影响。研究发现，在一定剂量的原子氧辐照下，复合润滑薄膜的含磷聚酰亚胺表面产生了磷酸盐（酯）覆层，阻止了薄膜深层进一步被氧化侵蚀，而其中复合的石墨烯仍然起到对基体的增强作用，与未添加石墨烯增强的材料相比，其摩擦学性能尤其是其耐磨损能力仍能保持在较高的水平。本项目揭示了石墨烯对热塑性聚酰亚胺薄膜材料的抗原子氧性能和空间摩擦学性能的影响规律，石墨烯可以有效地提高热塑性聚酰亚胺的抗原子氧能力，为开发抗原子氧型聚酰亚胺自润滑薄膜材料提供了一种新的可行的方法。另外，在研究过程中，对单体设计合成时得到的三元胺进行衍生，发展了一类可以用于轴承保持器的微孔有机聚合物材料，并对氧化石墨烯类碳材料的其他一些应用如有毒有害气体的传感进行了初步探索。