太空“黄金甲”的秘密：聚酰亚胺如何守护航天器闯极端？

聚酰亚胺为何在航天探测的应用广泛?

在航天应用中，材料的选择与性能至关重要，尤其是在极端环境下，材料的稳定性、耐高温、抗辐射、抗氧化等特性直接决定了航天器的可靠性和任务的成功与否。聚酰亚胺（PI）作为一种高性能的工程塑料，在航天领域中广泛应用，尤其是在极端环境下，航天器外层具有金黄光泽的薄膜，是聚酰亚胺薄膜而不是金属隔膜。

航天器外层聚酰亚胺隔膜

聚酰亚胺（Polyimide，简称PI）是一种热固性高分子材料，具有优异的热稳定性、机械强度、化学耐性以及良好的电绝缘性能。这些特点使得聚酰亚胺在航天工业中，尤其是在高温、强辐射、极低温等极端环境下，具有无可替代的优势。聚酰亚胺的应用主要集中在航天器的热防护、绝缘材料、柔性电路板以及结构件等方面。

在极端环境下对聚酰亚胺材料的要求

在航天极端环境中，并不是看起来那么平静，可能要面临强紫外线照射，数百度的温差，这对于普通材料来说，会直接变性，变形分解，从而导致航天器无法正常工作而损坏。在航天探测中，材料所承受的极端条件是多方面的。主要包括：

1. 高温稳定性

航天器在飞行过程中会经历极为复杂的温度变化。发射时，气流的摩擦、发动机的热量以及外部辐射都会导致材料温度迅速升高。尤其是进入太空后，航天器暴露在太阳辐射下，表面温度可能达到几百摄氏度。而在夜间，温度又可能迅速下降，形成数百摄氏度的温差。因此，航天材料必须具备出色的耐高温性能。聚酰亚胺的热变形温度和热稳定性非常适合这些需求，如图所示，典型的聚酰亚胺如PI（Kapton）能够耐受高达400°C的温度，在极端高温下也不易降解。

不同组分PI耐高温性能测试

2. 低温性能

航天器在外太空时，温度可以降到极低的水平。例如，飞行过程中航天器的背面温度可低至-200°C左右，因此材料的低温韧性同样至关重要。通过观察聚酰亚胺的结构以及基团，聚酰亚胺不仅具备良好的高温稳定性，还能够在低温环境中保持优异的机械性能。其玻璃化温度不受低温影响，能够在低温环境下保持优异的力学性能。

聚酰亚胺玻璃化温度基团贡献加合法预测

根据预测普通芳香族聚酰亚胺：Tg通常在 250°C~400°C 之间。满足航天材料使用要求。

3. 辐射防护能力

在外太空，尤其是在靠近太阳或其他高辐射源的环境中，航天器受到的辐射非常强烈。这些辐射会对材料造成损伤，例如分子链断裂、交联、气泡和裂纹等。聚酰亚胺具有较强的抗辐射性能，尤其是对于紫外线辐射和高能粒子辐射的抵抗能力较强，这使得它在航天器表面、外壳等部位的应用中，能够延长使用寿命并减少性能衰退。

聚酰亚胺辐射后C,O键精细谱图

通过分析这两种状态的百分含量（如表1所示），发现PI薄膜在电子辐照的作用下，随着辐照注量的增加，C=O键的含量经历了一个先下降后升高的过程。

电子不同辐照注量作用下聚酰亚胺薄膜各元素官能团的能量变化

这也反应了PI在辐射下，具有良好的抵抗性能。

4. 机械强度与抗腐蚀性

在航天器外部，聚酰亚胺不仅要耐受温度、辐射的极限，还要保持其良好的机械性能，尤其是在受到外部冲击、振动等应力作用时，需要保证其强度与韧性。此外，外太空的真空环境、极低的湿度以及氧化性气体的缺乏，也要求材料具有较强的抗腐蚀性。

一种低黄度聚酰亚胺的力学性能表

航天材料为何选择PI高分子材料

在极端环境下，聚酰亚胺材料是航天应用中常选的高分子材料。其优异的高温耐受性、低温韧性、辐射防护性和抗腐蚀性能，使其成为众多航天领域应用的首选。此外，除了聚酰亚胺，还有一些其他高性能高分子材料可供选择，具体包括：

1.聚酰胺（PA）类材料：其高机械强度和优异的耐磨性使其在一些特殊航天应用中有一定应用，但耐温性不及聚酰亚胺。

2.聚四氟乙烯（PTFE）：具有极好的耐高温性与化学稳定性，但其力学性能相对较弱，通常作为涂层材料使用。

3.聚苯硫醚（PPS）：在高温下也具有较好的稳定性，但其抗辐射性能稍差。

4.聚酯材料：在一些低温环境下具有较好的韧性，适用于低温环境下的航天器材料。

然而，相较于这些材料，聚酰亚胺凭借其整体的性能优势，在大多数航天器的高温、低温、辐射环境中表现得更加优异。因此，聚酰亚胺仍然是航天领域的核心材料。

常见高分子材料性能对比图

聚酰亚胺材料的改性

改性：高分子材料改性是指通过物理或化学方法调整高分子材料的组成或结构，以改善其性能或赋予其新功能。物理改性通常包括共混、填充、增强等方法，例如在塑料中添加玻璃纤维以提高强度，或与弹性体共混提升韧性。化学改性则通过接枝、交联、共聚等反应改变分子链结构。

聚酰亚胺本身具有出色的性能，但在一些极端环境下，仍然可能存在需要改进的地方。为了进一步提高聚酰亚胺的性能，改性是一个重要的手段。常见改性方法：

1. 增强纤维的加入

为了提高聚酰亚胺的力学性能和热稳定性，可以在聚酰亚胺基体中加入增强纤维，如碳纤维、玻璃纤维等。这些增强纤维能够有效地提高聚酰亚胺的刚性和强度，使其更加适合承受极端的航天环境下的负荷。

PI材料中加入碳纤维微观组织图

2. 添加抗辐射填料

虽然聚酰亚胺本身具备较强的抗辐射能力，但在高辐射环境下，聚酰亚胺仍然会受到一定的辐射损伤。为此，可以通过在聚酰亚胺中添加抗辐射填料，如氧化铝、氧化钛等，来增强其对辐射的防护作用。

PI膜在X波段的屏蔽性能

3. 交联改性

交联聚酰亚胺可以在高温、强辐射环境中提供更好的机械强度和热稳定性。通过适当的交联化学反应，可以在聚酰亚胺的分子链间形成网状结构，从而改善其热稳定性和抗辐射性。

具有化学交联结构、有序形貌和负泊松比的超弹性聚酰亚胺气凝胶材料

4. 表面改性

在极端环境中，材料表面与外界的接触更加重要。通过表面改性技术，如等离子体处理、激光处理等，可以改善聚酰亚胺的表面特性，增强其耐磨性、抗氧化性以及与其他材料的附着性。

PI薄膜等离子表面处理后的微观结构

航天器柔性热防护层——聚酰亚胺（PI）薄膜应用实例

美国航天局（NASA）的Kapton应用：NASA的多个航天器项目中，Kapton（聚酰亚胺材料）被广泛应用于航天器的热防护材料、绝缘材料及柔性电路板等。Kapton材料能在极端温度（从-269°C到+400°C）下工作，并能够抵抗太空辐射，具有极高的稳定性和可靠性。具体的应用案例包括“哈勃太空望远镜”和“国际空间站”中的热防护系统。

NASA航天器的PI薄膜热防护材料

中国航天的PI材料应用：中国的航天项目中，聚酰亚胺材料也被广泛使用。比如“天宫”系列空间站中，聚酰亚胺被用于电缆的绝缘层和其他高温、低温环境中的结构件。通过聚酰亚胺的改性处理，这些材料不仅具备了抗高温的能力，还能有效防止辐射的损害，保障了航天任务的顺利进行。

PI薄膜电缆绝缘层

聚酰亚胺薄膜生产工艺

PI薄膜的生产方法有一步法、二步法、三步法、气相沉积法四大类，其中主流的、相对成熟的工艺是二步法（分为合成聚酰胺酸和成膜亚胺化两步）。

PI薄膜生产工艺概况

二步法生成PI薄膜的主要流程是“PAA合成—流延拉伸法成膜—热法/化学法亚胺化”，先聚合聚酰胺酸，然后再成膜拉伸后亚胺化，形成PI薄膜。制备工艺需要六大核心技术：聚酰胺酸的合成、制膜设备、工艺参数优化、配方处理、薄膜后处理以及产品检测。其中树脂合成和分子结构设计对于树脂的分子量和控制反应过程至关重要。

二步法中，成型工艺常用的为流延法和流延拉伸法，相比于流延法，流延拉伸法常用于制备高性能的聚酰亚胺薄膜。

而亚胺化主要有两种方法，即热亚胺化法和化学亚胺化法，热亚胺化法将聚酰胺酸加热到一定温度，使之脱水环化；化学亚胺法是向温度保持在-5℃以下的聚酰胺酸溶液中加入一定量的脱水剂和触媒，快速混合后加热到一定温度使其脱水环化。热亚胺化法的工艺过程与装备较化学亚胺法简单，但制得的薄膜物化性能较化学亚胺法存在不足，无法生产满足电子级及以上的PI薄膜。

高性能PI薄膜的亚胺化过程通常伴随定向拉伸。定向拉伸工艺有单向拉伸和双向拉伸之分。相较于单向拉伸，经双向拉伸后的PI薄膜在横向、纵向均可获得更有序的结晶取向，薄膜特性更为优异。但双向拉伸工艺要求更高水平的配方技术和装备技术。

PI薄膜典型成型工艺及亚胺化工艺概述

定向拉伸是高性能PI薄膜亚胺化过程中决定性能上限的核心工艺。双向拉伸通过对薄膜纵向（MD）和横向（TD）的协同拉伸，促使分子链形成高度有序的结晶取向，其制备的PI薄膜在抗撕裂强度、热变形稳定性等关键指标上远超单向拉伸产品，成为航天级薄膜的“标配”工艺。然而，双向拉伸对设备的同步性、温控精度和应力调控能力提出了近乎苛刻的要求。

以上海联净为例，其采用先进的同步双向拉伸技术，能够同时在纵向和横向对材料进行拉伸操作。这使得分子链在两个方向上都能够实现高度有序排列，极大地优化了材料内部结构。

在温度控制上，设备配备了精准的温度控制系统。该系统可以在拉伸过程中，将温度波动严格控制在极小范围内，例如针对不同材料热拉伸过程中的温度要求，像聚酰亚胺（PI）膜热拉伸时，能满足其严苛的温度需求，通过精确调控温度促进材料的结晶取向，进而显著提升材料性能。

设备具备高效的传动系统以及稳定的拉伸张力控制机制。这确保了在拉伸过程中，各个部位的拉伸均匀性和稳定性，有效避免了因拉伸不均导致的材料缺陷等问题，从而能够稳定地生产出性能优异、质量上乘的薄膜产品。此外，上海联净的双向拉伸设备还能够灵活调整拉伸倍率、拉伸温度和拉伸速度等关键参数。

聚酰亚胺作为一种高性能高分子材料，凭借其卓越的高温、低温稳定性、抗辐射性及机械性能，在航天领域中发挥着不可替代的作用。根据不同的极端环境需求，聚酰亚胺可以通过增强、交联、填料等方式进行改性，以满足不同航天器的功能需求。在实际应用中，聚酰亚胺材料能够可靠地支持各种航天任务，并且通过技术的不断进步和改性方法的优化，聚酰亚胺的性能将进一步得到提升，从而更好地服务于未来的航天事业。

文章来源：高分子材料成型原理、高性能膜材料、上海联净

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