航天器表面金光閃閃的薄膜，原來是這種材料
導語
航天器表面金光閃閃的薄膜是聚醯亞胺的高性能聚合物材料與金屬材料複合而成。它能在-100℃到300℃的溫度區間內安全可靠地工作，並且具備極強的抗氧化和抗腐蝕能力，能在太空中保護航天器上的敏感設備，使其免遭來自高速微粒、劇烈溫度變化的傷害。
出品| 網易新聞
作者| 鴻鵠，科技愛好者
中國每年都要發射多顆衛星以及各類空間探測器，細心的人可能會發現，有一些航天器外面覆蓋了一層金燦燦或者銀閃閃的薄膜，不知你有沒有想過，這種薄膜究竟是什麼，為什麼航天器的外表要有這種薄膜覆蓋呢？
今天我們就來給大家揭曉謎底。
（一）太空環境複雜，航天器執行任務要面臨重重考驗
航天器外邊包裹的這個東西並不是金箔或者銀箔，而是一種名叫聚醯亞胺的高性能聚合物材料與金屬材料複合而成的薄膜。
航天器的主要工作環境是在地球大氣層外的太空，而太空的真實環境其實並不友好，無時無刻不受到各類射線輻射以及高能粒子攻擊。而且，因為缺少大氣層對紫外線的阻擋，來自太陽的紫外線輻射也會讓航天器的材料過早氧化、分解、失效。
（太空中的真空、輻射、極端溫度變化環境）
另外，太空是高度真空的環境，缺少了空氣的傳熱與散熱（真空保溫效果非常好），這使得在軌運行的航天器的表面溫度處於一面火一面冰的狀態。其受陽光直射面的溫度高達一百多攝氏度，而與之對應的沒有陽光照射的背面就會低至零下一兩百攝氏度。
所以在太空中，宇航員如果要進行出倉行走，就必須要穿著厚厚的宇航服，而航天飛行器在外太空的工作時間更長，極端的工作環境會加速航天器材料的失效，給航天器的光機電等系統的正常工作帶來了嚴峻的考驗，所以給航天器穿上保護外衣是必不可少的。
太空的真空、高低溫、輻照、失重的環境，對航天器的保護衣提出了苛刻的要求。於是，聚醯亞胺及以它為主體製備的多層隔熱材料（MLI）就登場了。
（二）模樣百變，航天器聚醯亞胺多層隔熱材料很有講究
聚醯亞胺是採用高溫熱處理聚醯胺酸溶液（有機芳香四酸二酐和有機芳香二胺二者反應後形成），使聚醯胺酸脫水環化的方法合成的。
（聚醯亞胺的分子結構）
這種材料的最牛之處就是其超強的耐熱性能和超寬的溫度使用範圍。一般情況下，生活中常用的高分子材料，比如可在微波爐加熱用的聚丙烯塑料，其使用溫度區間不過是-20℃到120℃。而聚醯亞胺在-100℃到300℃的溫度區間內，都能安全可靠地工作。
不僅如此，它的機械性能也很優秀，在材料密度不到鋼的六分之一的情況下，即使是不使用增強材料的聚醯亞胺基體材料，其抗拉強度也在100-400MPa之間，而經過增強以後的聚醯亞胺機械性能會有更大的提升，強度甚至超過普通鋼材一兩倍。
另外，聚醯亞胺還具備極強的抗氧化和抗腐蝕能力，普通的有機溶劑基本對它造成不了傷害。
出色的性能使得聚醯亞胺當仁不讓成為了航天器外衣的首選材料。
既然是作為「多層隔熱材料」應用到航天器外表，那麼也就不僅只是一層聚醯亞胺薄膜了，實際使用的「多層隔熱材料」上除了聚醯亞胺還複合了金屬材料，航天器上常見的MLI薄膜主要是聚醯亞胺與鋁的複合物。
之所以選擇鋁與聚醯亞胺搭配使用，而不是將更貴的金銀鉑等作為首選材料，僅僅是因為更合適，並非只是考慮鋁的價格比較實惠。
（左為常用金屬膜的反射率(實線)和吸收率(虛線)曲線，右為金銀銅鋁的對比）
對比不同波長上（紫外到紅外區域）不同的金屬材料的反射率和吸收率，可以發現，金和銀在特定的工作波段擁有極高的反射率，而鋁在紫外到紅外區域都擁有很高的反射率，而其他金屬材料在這一波段範圍都比較差。
反射率越高，則吸收率越低，這樣就能將太陽的大部分能量反射走，因而隔熱效果就很優秀。也正因為這點，像一些大口徑反射式天文望遠鏡的反射鏡材料用的也是鋁。不過，如果有特殊的工作波段需求，則還是會考慮選擇金、銀等材料，不同的金屬材料選擇會使得最後的聚醯亞胺多層隔熱材料顏色種類十分豐富。
而隨著科技的不斷進步，不同功能的聚醯亞胺薄膜也被發展出來，人們會在製備的過程中加入一些不同苯環原料和有顏色的納米材料來對薄膜進行改變。
具體來說，首先，多層隔熱材料是在聚醯亞胺薄膜表面通過熱蒸發、濺射和離子鍍等物理氣相沉積的方法鍍上一層鋁，而根據使用環境的要求不同還會沉積上氧化硅或者在黃色聚醯亞胺薄膜上塗布熱固性黑色耐高溫環氧樹脂等等。
另外還有一些像中間含鋁層的三明治結構聚醯亞胺薄膜設計（中間是鋁層，兩面聚醯亞胺），這些不同的薄膜大大豐富了聚醯亞胺材料體系。
其次，聚醯亞胺的應用不僅僅只是多層隔熱材料，在電子通訊與光電顯示等領域也出現了新型聚醯亞胺材料的應用，而特異性使用需求，要在聚醯亞胺成型之時，加入其他材料，以符合特定使用需求的要求。
比如用在LED背光源上的白色聚醯亞胺薄膜，具有耐高溫、長時間使用不變色、不掉粉的特定，可以提高產品的光反射及色源穩定性。而黑色聚醯亞胺膜對線路的遮蔽性更好，會被用於手機等電子設備。
（聚醯亞胺薄膜的一些使用場景）
此外，其他的一些無色透明聚醯亞胺產品則可以通過分子設計的方式，新合成不同類的二酐和二胺單體，最後聚合形成無色透明的薄膜，其光學性能會進一步改善，具備在未來替代玻璃作為新一代OLED屏幕設備或者成為柔性太陽能電池襯底的條件。
（三）聚醯亞胺除了做航天器「外衣」，生活中也有大用途
除了上述提到的使用溫度範圍跨度大、機械性能優良、穩定性高、耐輻照性能優異等優點外，聚醯亞胺還具有良好的介電性能（介電常數約為3.4）。
通過在體系分子結構中引入氟或者材料成型過程中人為造成納米尺度的空腔，還可以將介電常數調整到2.5左右。這使得它的介電損耗相對較低，並且這個數值水平還能在寬廣的溫度範圍和頻率範圍內繼續保持。
加上聚醯亞胺還是自熄性聚合物（離開火源後會自行熄滅）、無毒（部分產品還有很好的生物相容性），這些特性進一步拓寬了聚醯亞胺的使用範圍，在微電子、納米、液晶、分離膜、激光都能見到它的身影。
業內有一種說法：「沒有聚醯亞胺就不會有今天的微電子技術」，聚醯亞胺在微電子器件中，首先可以用作介電層進行層間絕緣；其次還可以作為緩衝層減少應力、提高成品率；最後還能用作保護層減少環境對器件的影響（能屏蔽各類輻射粒子，減少器件的軟誤差）。
近年來，隨著電子工業的發展，高性能聚醯亞胺薄膜又成為微電子製造與封裝的關鍵材料，廣泛應用於超大規模集成電路的製造、自動接合載帶、柔性封裝基板、柔性連接帶線等方面。
（聚醯亞胺膠帶在線路板製造行業中可用於電子保護粘貼）
在環保領域，聚醯亞胺具備的耐高溫、耐輻射、穩定性強等優勢，使之可以有更為廣泛的使用範圍。由聚醯亞胺纖維織成而成的無紡布，可在高溫、放射性、有機氣體及液體的特殊複雜環境下用作過濾網，在核工業、地礦、石化、油田等行業有大量的需求。
日常生活中，聚醯亞胺良好的耐熱性和隔熱性能，也讓它成為了隔熱、透氣、柔軟的阻燃工作服、隔火毯的最優選擇。而航天器上用的多層隔熱材料簡單改進就是民用版本的急救毯，與航天器上的作用一樣，能有效反射人體發出紅外線，在緊急情況下維持人體體溫。
（四）如此好用的材料，中國實際生產情況如何？
聚醯亞胺的合成過程並不複雜，但如果考慮到聚合物分子量、均一度等影響性能的因素，如何大批量地合成高質量的聚醯亞胺材料其實是很有挑戰的。特別是具有特殊使用需求的聚醯亞胺材料，合成過程還要考慮複合、摻雜等等因素，合成工藝更加複雜。
目前國內外能大量生產聚醯亞胺材料的廠家並不多，而中國從上世紀60年代發展航空航天技術開始，就開啟了對聚醯亞胺的系統研究。不過，早些年由於生產成本高、未解決複雜工藝難度問題等原因，聚醯亞胺材料無法進行大規模產業化生產，使用的範圍僅局限于軍工、航天等高端行業。
近年來，憑藉在技術和工藝上的突破，中國聚醯亞胺的整體產量和質量都有了很大的飛躍，對應的應用面也拓展到微電子、紡織、環保、交通等多個領域。
而且中國的聚醯亞胺製品研發使用上很有特色，具有多項國際首創。
比如聚醯亞胺纖維工業化應用，世界上第一款可實際應用的高強度聚醯亞胺纖維產品就是由中國創造，相關的生產線已經成功試車。
（聚醯亞胺特種纖維可應用於衛星天線、防彈應用等生命防護領域，以及橡膠製品增強材料使用）
與之相關的聚醯亞胺納米纖維隔膜也是中國在鋰電行業的具有自我知識產權的創新型產品。採用了聚醯亞胺隔膜的鎳鈷錳型鋰離子電池產品的快速充放電、安全性、循環壽命和溫度特性等方面遠遠優於現有產品，對鋰電池行業而言是一個革命和顛覆性的產品
隨著中國對聚醯亞胺研究的不斷深入，相關技術也更加完善，產量有了進一步的提高，生產成本逐漸降低。
結語
雖然中國整體的高分子材料發展水平相比發達國家還有一些距離，但在產業升級過程中，中國在以聚醯亞胺為例的高分子材料的生產和使用上都逐漸縮短了和第一梯隊的差距，未來有希望更進一步的打破國外公司在這一領域的壟斷。
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編輯| 史文慧
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