导读航空航天应用中使用的某些材料(例如聚合物)会随着长时间暴露于原子氧、紫外线辐射和外层空间的极端温度循环而降解和腐蚀。此外,由于国际空

航空航天应用中使用的某些材料(例如聚合物)会随着长时间暴露于原子氧、紫外线辐射和外层空间的极端温度循环而降解和腐蚀。此外,由于国际空间站等轨道航天器以大约 18,000 英里/小时的速度飞行,微流星体和其他空间碎片对由聚合物及其复合材料组成的轻型空间结构的完整性构成严重威胁。

引入包含专门设计的纳米粒子和微粒的自修复材料可以为空间结构提供更耐用的解决方案。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的几个实验室共同努力应对这一挑战,并首次将自愈材料送入轨道,在国际空间站国家实验室进行测试。

“我们使用的材料是新型纳米复合材料,基于与自修复成分混合的热固性聚二环戊二烯 (pDCPD) 基质,与传统的热固性聚合物需要数天才能在高压釜内固化相比,这种材料可以在几分钟到几小时内固化。此外,这些基于 pDCPD 的新型材料适用于增材制造技术,具有在太空中快速制造或修复零件的潜力,”UIUC 航空航天工程系博士后学者 Debashish Das 说。

Nancy Sottos 和 Ioannis Chasiotis 教授由空军科学研究办公室和国际空间站国家实验室资助开发样品,这些样品将面向国际空间站的三个不同方向安装,因为国际空间站的每一侧都暴露在不同数量的条件下紫外线辐射和原子氧:ram,在行进方向;在尾随方向醒来;和天顶,背对着地球。

由于在太空中进行实验的成本很高,因此每个样本的大小必须与铅笔上的橡皮擦差不多。总共将 27 个样品固定在三个平板上,每个平板为 1 平方英寸。每个样本上方的窗口允许暴露于空间环境。

航空航天研究生 Eric Alpine 和 AE 教员 Michael Lembeck 使用他们在 Talbot 实验室的设施来确定暴露在太空中的样品中的挥发性成分。样品在 176 华氏度的高真空下烘烤 24 小时,以模拟加速空间条件。所有样品的质量损失都保持在 NASA 允许的可接受范围内。

材料科学与工程博士 贝克曼研究所自主材料系统小组的学生 Kelly Chang 和博士后学者 Mayank Garg 开发了自愈策略并制造了所有样品。

“根据 Chasiotis 教授小组在国际空间站的先前实验,我们知道在所有样品中嵌入玻璃纳米粒子将提高抗侵蚀性,”张说。“在 Nancy Sottos 教授的小组中,我们一直在试验一种更积极的机制来抵抗侵蚀损伤。我们嵌入了微胶囊,当太空中的原子氧使胶囊破裂时会触发活性物质,并允许这些胶囊的液体核心反应过来。”

Chang说,也有不含胶囊的样品,这些样品将作为后续实验的对照。样品还包含标准航空级环氧树脂以供比较。

达斯说,如果这些自修复聚合物在太空中证明是成功的,那么对于外太空制造来说可能是一个巨大的优势。“这是一个长期目标,”他说,“在太空制造。”

Garg 补充说:“如果我们假设这些新型材料与环氧基材料相比能够更长时间地抵抗侵蚀,那么我们将有一个替代环氧树脂主导的太空市场以及地球应用的替代方案。”