Devido às suas excelentes propriedades mecânicas, ótima estabilidade térmica e excepcional resistência química, o filme de poliimida tornou-se um excelente material para "revestimentos" de sondas espaciais. No entanto, como outros polímeros de hidrocarbonetos, os materiais de poliimida são vulneráveis ​​ao ataque do oxigênio atômico no ambiente espacial, resultando em uma queda acentuada em suas propriedades físicas e mecânicas. Atualmente, não existe uma solução eficaz para esse problema. Além disso, ambientes extremos, como a radiação de raios cósmicos e o impacto de detritos espaciais, também representam testes severos para sua estabilidade.

Yu Shuhong, professor da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e membro da Academia Chinesa de Ciências, desenvolveu um novo material de membrana composta de poliimida-nanomica para aplicações de proteção espacial. O material adota um design biônico exclusivo, e suas propriedades mecânicas e tolerância ao ambiente espacial extremo são significativamente aprimoradas. Os pesquisadores partiram da estrutura de camadas de "tijolo de barro" da madrepérola natural, criando um design engenhoso com uma estrutura de camada dupla de madrepérola em um filme nanocompósito de poliimida-mica. Dessa forma, a distribuição da camada superior apresenta uma camada de nanomica mais densa. Com o auxílio das propriedades intrínsecas da mica e das vantagens da unidade de construção, o desempenho mecânico do material é efetivamente aumentado. A resistência da camada superior ao oxigênio atômico, à radiação ultravioleta e aos detritos espaciais também foi significativamente aprimorada. Resultados de pesquisas relacionadas mostraram que filmes nanocompósitos de poliimida-mica inspirados na madrepérola de camada dupla apresentam excelente estabilidade mecânica para condições ambientais da LEO (Órbita Terrestre Baixa), conforme publicado na revista Advanced Materials.

Commun.,2018, 9, 2974), que possui excelentes propriedades mecânicas e função de proteção UV, podendo ser preparado em grande quantidade, foi co-montado com um precursor de poliimida para obter uma membrana nanocompósita de poliimida-mica. As características intrínsecas superiores da mica foram utilizadas para compensar a deficiência da poliimida. Diferentemente do projeto anterior de estrutura monocamada de filme nanocompósito imitando uma camada de pérola, neste estudo, a equipe de pesquisa construiu um filme nanocompósito de poliimida-mica com estrutura de dupla camada, semelhante a uma camada de pérola, por meio de pulverização e cura térmica, de modo que a camada superior apresentasse uma nano-folha de mica mais densa (Figura AF). Essa estratégia de projeto proporciona uma melhoria efetiva nas propriedades mecânicas do material e torna sua superfície superior mais resistente ao oxigênio atômico, à radiação ultravioleta e a detritos espaciais.

Os resultados mostram que a resistência à tração, o módulo de Young e a dureza superficial do novo filme compósito biônico são de 125 MPa, 2.2 GPa e 0.37 GPa, respectivamente, valores 45%, 100% e 68% superiores aos do filme de poliimida pura (Figura G). Devido à estrutura única de madrepérola de duas camadas e às vantagens inerentes das nanoestruturas de mica, a membrana compósita de poliimida-mica de duas camadas apresenta resistência superior ao oxigênio atômico (taxa de erosão ≈0.17×10⁻²⁴ cm⁻³ átomos⁻¹). Ela é claramente superior ao filme de poliimida pura, ao filme compósito de poliimida-mica de monocamada com estrutura de madrepérola e ao material compósito de matriz de poliimida relatado anteriormente. Além disso, sua resistência ao envelhecimento por UV (313 nm) e estabilidade em altas temperaturas (380 °C) foram significativamente melhoradas em comparação com o filme de PI puro.

O filme nanocompósito de poliimida-mica com estrutura de dupla camada semelhante à madrepérola tem o potencial de substituir os filmes nanocompósitos de poliimida-mica existentes como um novo material eficaz para a proteção externa de espaçonaves em órbita baixa. A estratégia de design exclusiva com estrutura de dupla camada semelhante à madrepérola, proposta neste estudo, também oferece uma nova perspectiva para o projeto e a construção de outros nanocompósitos de alto desempenho.

O trabalho de pesquisa foi financiado pelo Projeto de Grupo de Pesquisa Inovadora/Projeto Principal da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (NSFC), pelo Programa de Pesquisa Principal em Ciências de Fronteira, pelos Fundos de Pesquisa Fundamental para Universidades Centrais, pelo Projeto de Inovação Colaborativa da Província de Anhui e pelo Fundo Conjunto de Radiação Síncrotron da USTC.

Diagrama esquemático do processo de preparação do filme compósito biônico de poliimida-mica nanométrica e sua microestrutura, propriedades mecânicas e tolerância ao oxigênio atômico.

O link para a tese é: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202105299