本发明专利技术公开了一种通过添加纳米颗粒材料来提高航天器用聚合物和聚合物基复合材料抗原子氧剥蚀性能的方法，其按照比例，在反应釜中将聚合物或聚合物基复合材料的树脂基体、稀释剂和／或固化剂搅拌混合均匀，制得树脂溶液；再将经表面改性处理后的不与原子氧反应的纳米颗粒材料，在搅拌状态下加入到树脂溶液中，制得抗原子氧剥蚀复合材料溶液；将抗原子氧剥蚀复合材料溶液经成型工艺可制备出抗原子氧剥蚀的颗粒复合材料或者制备出抗原子氧剥蚀的纤维颗粒复合材料。本发明专利技术的复合材料通过原子氧效应试验表明，具有较好的抗原子氧剥蚀性能，从而较好地解决了航天器用高分子材料受原子氧剥蚀严重的问题，能够满足航天工程的使用要求。材料的整个制备过程采用常规的制备方法，具有很好的工程适用性，同时，使用这种材料也不会给航天器结构带来复杂化。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种提高航天器用聚合物和聚合物基复合材料抗原子氧剥蚀性能的方法，具体地说，是指在聚合物和聚合物基复合材料的树脂基体中添加不与原子氧反应的纳米颗粒材料来提高航天器材料的抗原子氧剥蚀性能。
技术介绍
聚合物和聚合物基复合材料在航天器上有着广泛的应用。当航天器在空间低地球轨道环境中运行时，大部分聚合物和聚合物基复合材料会受到环境中原子氧的严重剥蚀，材料的厚度和质量会损失，而且性能也会发生退化，从而影响了航天器的正常工作和使用寿命。为了保障航天器的在轨长期可靠运行，并延长其使用寿命，提高航天器用聚合物和聚合物基复合材料的抗原子氧剥蚀性能是十分重要和必要的。目前，航天器上常用的抗原子氧剥蚀方法主要有(一)抗原子氧防护涂层它是在易受剥蚀的材料表面镀上一层保护涂层，使原子氧无法与底层受保护材料接触，从而起到抗原子氧剥蚀的效果。抗原子氧防护涂层这种方法出现的最早，也是目前最常用的，如国际空间站上就大量使用了防护涂层来确保其长期可靠运行和使用寿命。但是这种方法会给航天器的结构带来复杂化，还会增加材料成型和加工的难度。另外，涂层容易出现缺陷，如①当航天器在轨道中运行时，其表面温度是在约±80℃之间变化的(这被称为热循环，周期约90分钟)，由于涂层和底层材料的热膨胀系数不同，在长期热循环的作用下，两者之间的热应力可能会使涂层表面出现裂纹；②空间微陨石和垃圾碎片的撞击，也会使涂层表面出现孔洞等缺陷；③在涂层的沉积过程中以及部件加工成型时，涂层表面也有可能产生缺陷。这些缺陷一旦形成，原子氧就会穿过这些缺陷与底层材料发生反应，形成掏蚀，并最终导致涂层失去保护作用甚至脱落。(二)改变材料表面的元素组成主要是通过表面硅烷化或离子注入(铝、硅、钇等离子)这两种途径来改变材料的表面元素组成，使其表面含有丰富的铝、硅等离子，从而使材料在空间原子氧或原子氧和紫外辐射等因素的作用下形成了氧化物层(氧化硅、氧化铝等)。由于这些氧化物是不与原子氧反应的，从而也就减小了材料的原子氧剥蚀程度，提高了材料的抗原子氧剥蚀性能。这种方法实际上是改变了材料表面一定深度的元素组成，然后在特定的条件下，材料表面就能够生成抗原子氧的新结构或保护层。这种方法处理后的航天器材料，保护层仅是在材料表面存在，如果遭到微陨石和垃圾碎片的撞击，同样也会失效；此外，高能粒子的撞击还会改变材料表面的分子结构和物理化学特性，例如表面发生碳化并呈现暗棕色等等。(三)开发新型聚合物材料重新设计材料的分子组成和结构，构造出能够抗原子氧剥蚀的新材料。这种方法目前主要是在聚合物的主链上添加一些能够抗原子氧的元素，如氟、磷等，以提高材料的抗原子氧剥蚀性能。但是它会涉及到聚合物生产工艺的改变，有较大的难度，而且所得到的材料除了具有较好的抗原子氧剥蚀性能以外，能否满足航天器其它方面的使用要求(如热光学性能、机械性能、绝缘性能等)，目前尚不清楚。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对航天器用的聚合物和聚合物基复合材料受低地球轨道环境原子氧剥蚀严重的问题和现有抗原子氧剥蚀技术的不足，根据原子氧与聚合物和聚合物基复合材料的反应特点和规律，公开一种能够显著提高航天器材料抗原子氧剥蚀性能的新方法及其复合材料。本专利技术是一种通过添加纳米颗粒材料来提高航天器用聚合物和聚合物基复合材料抗原子氧剥蚀性能的方法，其按照比例，在反应釜中将聚合物或聚合物基复合材料的树脂基体、稀释剂和/或固化剂搅拌混合均匀，制得树脂溶液；再将经表面改性处理后的纳米颗粒材料，在搅拌状态下加入到树脂溶液中，制得抗原子氧剥蚀复合材料溶液；将上述的抗原子氧剥蚀复合材料溶液经成型工艺可制备出抗原子氧剥蚀的颗粒复合材料或者制备出抗原子氧剥蚀的纤维颗粒复合材料。所述的抗原子氧剥蚀的颗粒复合材料的组成为(以重量计)，(A)聚合物，用量为100份，该聚合物为环氧树脂或聚酰亚胺树脂或酚醛树脂或聚酰胺树脂或聚酯树脂或聚砜或聚醚醚酮或聚甲基丙烯酸甲酯；和(B)纳米颗粒材料，用量为2～35份，该纳米颗粒材料为不与原子氧反应的二氧化硅或三氧化二铝或氧化锆或氧化锡或氧化钛或玻璃空心微珠(主要由二氧化硅和三氧化二铝组成)经表面改性处理后的材料，其粒径5～100纳米。所述的抗原子氧剥蚀的纤维颗粒复合材料的组成为(以重量计)，(A)聚合物基复合材料的树脂基体，用量为100份，该树脂基体为环氧树脂或聚酰亚胺树脂或酚醛树脂或聚酰胺树脂或聚酯树脂或聚砜或聚醚醚酮或聚甲基丙烯酸甲酯；和(B)纳米颗粒材料，用量为2～35份，该纳米颗粒材料为不与原子氧反应的二氧化硅或三氧化二铝或氧化锆或氧化锡或氧化钛或玻璃空心微珠(主要由二氧化硅和三氧化二铝组成)经表面改性处理后的材料，其粒径5～100纳米；(C)纤维材料，碳纤维或玻璃纤维。所述的通过添加纳米颗粒材料来提高航天器用聚合物和聚合物基复合材料抗原子氧剥蚀性能方法，包括下列步骤(a)制备纳米颗粒材料选取不与原子氧反应的纳米颗粒材料；选取不与原子氧反应的纳米颗粒材料所需的表面改性剂，其表面改性剂可以是乙烯基三乙氧基硅烷(A151)或者γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)或者四异丙基(二辛基亚磷酸酯酰基)钛酸酯(NDZ-401)；按纳米颗粒材料∶表面改性剂＝100∶0.5～5称取上述材料，制得纳米颗粒材料；(b)称取聚合物或聚合物基复合材料的树脂基体和纳米颗粒材料按聚合物或聚合物基复合材料的树脂基体∶纳米颗粒材料＝100∶2～35称取；(c)制聚合物或聚合物基复合材料的树脂溶液选取聚合物或聚合物基复合材料的树脂基体；选取稀释剂为丙酮；选取固化剂为聚酰胺或三乙胺或己二胺或4，4’-二胺基二苯甲烷或2-甲基咪唑或顺丁烯二酸酐；按聚合物或聚合物基复合材料的树脂基体∶固化剂∶稀释剂＝100∶0～70∶40～80称取上述材料，并将其放入反应釜中搅拌混合均匀，制得聚合物或聚合物基复合材料的树脂溶液；(d)制抗原子氧剥蚀复合材料溶液在配制好上述(c)溶液后，在搅拌中添加入上述(a)中的纳米颗粒材料，制得抗原子氧剥蚀复合材料溶液；(e)制抗原子氧剥蚀颗粒复合材料或抗原子氧剥蚀纤维颗粒复合材料经成型工艺制出抗原子氧剥蚀颗粒复合材料或抗原子氧剥蚀纤维颗粒复合材料。本专利技术的复合材料具有以下优点(1)用气溶胶表面改性设备改性处理的不与原子氧反应的纳米颗粒材料，改性剂和颗粒材料表面能够充分作用，并达到完全改性的目的；使不与原子氧反应的纳米颗粒材料表面均匀包覆一层改性剂，保证了纳米颗粒材料在树脂基体中的分散和结合；(2)在高速搅拌的过程中将纳米颗粒材料加入到树脂基体中，使纳米颗粒材料能够在树脂基体中均匀分布；用此种方法制备出的抗原子氧剥蚀复合材料，原子氧剥蚀率降低为未加纳米颗粒材料的50％～5％，其抗原子氧剥蚀性能显著提高；(3)该方法工艺简单，易于实现，且不会增加航天器的复杂性，具有很好的通用性，可广泛用于航天器上常用的各种聚合物和聚合物基复合材料。附图说明图1是不与原子氧反应的材料采用气溶胶表面改性工艺流程图。图2是实施例1的制备工艺流程图。图3是实施例2的制备工艺流程图。图4(a)是未添加15份SiO2的环氧树脂E51的场发射SEM照片。图4(b)是添加15份SiO2的环氧树脂E51的场发射SEM照片。图5(a)是未添加15份SiO2/聚酰亚胺树本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种通过添加纳米颗粒材料来提高航天器用聚合物和聚合物基复合材料抗原子氧剥蚀性能的方法，其特征在于：按照比例，在反应釜中将聚合物或聚合物基复合材料的树脂基体、稀释剂和／或固化剂搅拌混合均匀，制得树脂溶液；再将经表面改性处理后的不与原子氧反应的纳米颗粒材料，在搅拌状态下加入到树脂溶液中，制得抗原子氧剥蚀复合材料溶液；将抗原子氧剥蚀复合材料溶液经成型工艺可制备出抗原子氧剥蚀的颗粒复合材料或者制备出抗原子氧剥蚀的纤维颗粒复合材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：沈志刚，赵小虎，王明珠，蔡楚江，麻树林，邢玉山，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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