用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，以碳納米管陣列為基礎(chǔ)，通過陣列表面放置的金屬材料使其加熱熔化或通過陣列表面倒上的滲入液體聚合物材料并利用毛細(xì)作用使碳納米管之間的間隙中填充充滿入液態(tài)金屬或液體聚合物基體材料后固化。此外，也公開了一種該防護(hù)材料的制備方法。本發(fā)明基于單根碳納米管有著極高的力學(xué)性能且碳納米管陣列因碳納米管都是同一方向取向的，同時(shí)填入的金屬或聚合物材料起到結(jié)構(gòu)力學(xué)性能增強(qiáng)作用。該復(fù)合材料具有很高的力學(xué)性能，是良好的防碎片材料，后續(xù)在碳納米管內(nèi)填入的高防輻射材料又并能夠起到很好的防空間高能粒子輻射的作用，從而使該材料具備同時(shí)防護(hù)多種空間環(huán)境的功能。
【專利說明】用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器的空間環(huán)境防護(hù)研究領(lǐng)域，特別是涉及一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料以及利用碳納米管超高的力學(xué)性能，將其作為結(jié)構(gòu)主體，在碳納米管的間隙間充入金屬或聚合物，在碳納米管管內(nèi)填入高防輻射材料從而制備得到的多功能防護(hù)材料的制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]建造長期在軌運(yùn)行的空間站項(xiàng)目是我國國家中長期科技重大專項(xiàng)中的一項(xiàng)，空間站由于有人職守，與其他無人航天器相比，保障空間站的在軌安全運(yùn)行顯得更為重要。
[0003]在空間站在軌運(yùn)行期間，由于受到空間環(huán)境的作用，如空間碎片、高能粒子輻射、原子氧、溫度等，其安全性將會(huì)受到影響，嚴(yán)重威脅到航天員的安全。特別是空間碎片和高能粒子輻射環(huán)境對(duì)空間站的威脅巨大。
[0004]空間站運(yùn)行在低地球軌道上,該軌道上有著大量的空間碎片。空間碎片與空間站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度非?？?，可達(dá)lOkm/s。如此高速度的碎片撞擊到空間站上，會(huì)給空間站帶來極大的破壞作用。有的碎片可以擊穿空間站的艙壁，造成空間站結(jié)構(gòu)的損毀。因此，除了采用空間站主動(dòng)規(guī)避大的空間碎片(直徑厘米量級(jí)以上)外，更多情況下需要采用防護(hù)材料阻止中等尺度的空間 碎片(直徑毫米量級(jí))對(duì)空間站的直接撞擊，保護(hù)空間站的安全。
[0005]同時(shí)，輻射對(duì)人的身體健康有著巨大影響，會(huì)引發(fā)腫瘤等惡性疾病。航天員在空間站工作期間，由于空間中高能粒子輻射環(huán)境的作用，也會(huì)增加患病的幾率。特別是在太陽耀斑爆發(fā)期間，大量高能粒子入射到空間站上，會(huì)因引起航天員瞬時(shí)的輻射劑量嚴(yán)重超過安全值，嚴(yán)重?fù)p害航天員健康。因此，空間站在設(shè)計(jì)建造時(shí)，必須考慮輻射防護(hù)，采用高性能防護(hù)材料，力爭將空間輻射給宇航員帶來的危害降低到可以接受的水平，以提高航天員的輻射安全性。
[0006]目前，防護(hù)空間碎片的材料一般選擇強(qiáng)度較高、吸能效果較好的結(jié)構(gòu)材料，如金屬材料等。而防高能粒子輻射的材料一般選擇原子序數(shù)較小的材料，如液氫，液態(tài)甲烷，聚乙烯、石墨等。但是，由于兩種防護(hù)材料分別屬于不同材料類別，性能有很大差別，所以在進(jìn)行空間碎片和輻射環(huán)境防護(hù)時(shí)，分別選取不同材料進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，這極大地增加了空間環(huán)境防護(hù)材料在空間站中的重量配額。
[0007]然而，目前還沒有一種能夠很好地滿足空間站需求的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，能夠大幅度降低空間防護(hù)材料的重量的同時(shí)，顯著提高空間站的安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的之一是提供一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，利用自組織生長的碳納米管陣列為結(jié)構(gòu)主體，以金屬或聚合物為基體材料，并在碳納米管管內(nèi)填充高H、Li含量的防輻射材料，從而制備集防空間碎片、防空間高能粒子輻射環(huán)境的多功能防護(hù)材料。本發(fā)明的材料可以大幅降低空間站防護(hù)材料的重量，提高空間站的安全性，并可以簡化空間站的空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)，減少空間站建造成本。
[0009]本發(fā)明的另一目的是提供一種多功能防護(hù)材料的制備方法，本發(fā)明避免了現(xiàn)有空間站的空間環(huán)境防護(hù)一般采用一種材料來防護(hù)一種環(huán)境的弊端，利用碳納米管超高的力學(xué)性能，將其作為結(jié)構(gòu)主體，在碳納米管的間隙間充入金屬或聚合物，起到結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用，從而具備防空間碎片的作用。在碳納米管的管內(nèi)填入高性能防輻射材料，如富含H、Li元素的LiBH4 ,起到防福射作用，而且碳材料本身也是較好的防福射材料。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0011]一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，以碳納米管陣列為基礎(chǔ)，通過陣列表面放置的金屬材料使其加熱熔化或通過陣列表面滲入液體聚合物材料并利用毛細(xì)作用使碳納米管之間的間隙中充滿液態(tài)金屬或液體聚合物基體材料后固化形成金屬基或聚合物基碳納米管復(fù)合材料。
[0012]其中，在液態(tài)金屬或聚合物固化后，將得到的碳納米管復(fù)合材料表面切割掉一層，使得碳納米管頂部封口被去除并去掉基板。
[0013]其中，去掉基板和頂部封口后，在兩端開口的碳納米管的管內(nèi)，填充入例如LiBH4材料的富含H、Li元素的材料。
[0014]一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料的制備方法，包括以下步驟:
[0015]I)利用碳納米管陣列生長方法在基板上生長得到垂直排列的碳納米管陣列，再進(jìn)行以下步驟之一；
[0016]2a)在碳納米管陣列表面上放置金屬，例如鋁、鎂、銅、鐵、以及它們的合金材料，并將碳納米管陣列在真空或惰 性氣體環(huán)境下加熱至高溫，溫度高于上述金屬的熔點(diǎn)以使金屬熔化，通過毛細(xì)作用使液體金屬充入到碳納米管之間的間隙中，降溫至室溫，得到金屬基碳納米管復(fù)合材料:或者
[0017]2b)在室溫條件下，將液態(tài)聚合物材料，例如包括不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹酯等的樹脂)、橡膠等，滲入到碳納米管陣列表面，通過毛細(xì)作用使液體聚合物材料充入到碳納米管之間的間隙中，帶完全充滿后，將聚合物材料固化，得到聚合物基碳納米管復(fù)合材料。
[0018]其中，該方法還包括以下步驟:3)利用機(jī)械切割、打磨或激光切割，將碳納米管陣列復(fù)合材料從基板上切割下來，并將碳納米管陣列復(fù)合材料表面的一層切割下來。
[0019]其中，該方法還包括以下步驟:4)在碳納米管管內(nèi)填入高H、Li含量的物質(zhì)，如LiBH4、聚乙烯等。
[0020]本發(fā)明基于單根碳納米管有著極高的力學(xué)性能，楊氏模量可達(dá)lTpa，且碳納米管陣列因碳納米管都是同一方向取向的，因此碳納米管陣列的垂直方向上應(yīng)體現(xiàn)每個(gè)碳納米管的力學(xué)性能集合。而填入的金屬或聚合物材料起到結(jié)構(gòu)力學(xué)性能增強(qiáng)作用，因此，復(fù)合材料具有很高的力學(xué)性能，是良好的防碎片材料。此外，碳納米管及其管內(nèi)填入的防輻射材料能夠起到很好的防空間高能粒子輻射的作用，從而使該材料具備同時(shí)防護(hù)多種空間環(huán)境的功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料的制備過程示意圖。[0022]圖中:1-生長在基板上的碳納米管陣列，其中1.1為基板，1.2為垂直排列的碳納米管陣列；2_金屬基-碳納米陣列復(fù)合材料，其中2.1為填充在碳納米管之間間隙的金屬材料；3_切割后的碳納米陣列復(fù)合材料；4_空間碎片、輻射多功能防護(hù)材料，其中4.1為填入碳納米管管內(nèi)的高H、Li含量物質(zhì)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料制備過程作進(jìn)一步的說明，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)圖簡單說明本發(fā)明方法制備獲得的多功能防護(hù)材料的結(jié)構(gòu)。
[0024]其中，圖1為本發(fā)明的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料制備過程示意圖。
[0025]實(shí)施例1鋁基與碳納米管陣列的多功能防護(hù)材料制備
[0026]首先，利用已知的現(xiàn)有技術(shù)(現(xiàn)有步驟)制備一個(gè)碳納米管陣列樣品(I )，碳納米管生長在一基板上(1.1)，垂直排列的碳納米管陣列(1.2)中每根碳納米管的生長方向基本上都與基板垂直。
[0027]其次，將碳納米管陣列在Ar氣或真空條件下加熱至高溫650-700°C，碳納米管表面事先均放置鋁屑，鋁屑重量按照碳納米管陣列的體積X (80% -90%)X鋁的密度計(jì)算得到。在高溫650-700°C保持20分鐘，然后降溫至室溫，取出樣品，得到碳納米管金屬復(fù)合材料。
[0028]第三，利用機(jī)械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復(fù)合材料(3)切割下來，并將金屬基-碳納米管陣列的復(fù)合材料表層切割掉一層使碳納米管由于兩端被切害I]，變成兩端開口碳納米管，如圖中步驟3所示。
`[0029]第四，將硼氫化鋰(LiBH4)利用球磨機(jī)打成納米級(jí)細(xì)粉。將碳納米管復(fù)合材料放在一個(gè)振動(dòng)臺(tái)上，然后在其上表面倒上LiBH4細(xì)粉，利用振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)讓細(xì)粉填充到碳納米管管內(nèi)，得到防護(hù)材料，參見步驟4。
[0030]實(shí)施例2銅基與碳納米管陣列的多功能防護(hù)材料制備
[0031 ] 首先，利用已知的現(xiàn)有技術(shù)(現(xiàn)有步驟)制備一個(gè)碳納米管陣列樣品(I )，碳納米管生長在一基板上(1.1)，垂直排列的碳納米管陣列(1.2)中每根碳納米管的生長方向基本上都與基板垂直。
[0032]其次，將碳納米管陣列在Ar氣或真空條件下加熱至高溫1100°C，碳納米管表面事先均放置銅屑，銅屑重量按照碳納米管陣列的體積X (80% -90%) X銅的密度計(jì)算得到。在高溫1100°C保持30分鐘，然后降溫至室溫，取出樣品，得到碳納米管金屬復(fù)合材料。
[0033]第三，利用機(jī)械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復(fù)合材料(3)切割下來，并將金屬基-碳納米管陣列的復(fù)合材料表層切割掉一層使碳納米管由于兩端被切害I]，變成兩端開口碳納米管，如圖中步驟3所示。
[0034]第四，將硼氫化鋰(LiBH4)利用球磨機(jī)打成納米級(jí)細(xì)粉。將碳納米管復(fù)合材料放在一個(gè)振動(dòng)臺(tái)上，然后在其上表面倒上LiBH4細(xì)粉，利用振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)讓細(xì)粉填充到碳納米管管內(nèi)，得到防護(hù)材料，參見步驟4。
[0035]實(shí)施例3鐵基與碳納米管陣列的多功能防護(hù)材料制備
[0036]首先，利用已知的現(xiàn)有技術(shù)(現(xiàn)有步驟)制備一個(gè)碳納米管陣列樣品(I )，碳納米管生長在一基板上(1.1)，垂直排列的碳納米管陣列(1.2)中每根碳納米管的生長方向基本上都與基板垂直。
[0037]其次，將碳納米管陣列在Ar氣或真空條件下加熱至高溫1550°C，碳納米管表面事先均放置鐵屑，鐵屑重量按照碳納米管陣列的體積X (80% -90%) X鐵的密度計(jì)算得到。在高溫1550°C保持30分鐘，然后降溫至室溫，取出樣品，得到碳納米管金屬復(fù)合材料。
[0038]第三，利用機(jī)械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復(fù)合材料(3)切割下來，并將金屬基-碳納米管陣列的復(fù)合材料表層切割掉一層使碳納米管由于兩端被切害I]，變成兩端開口碳納米管，如圖中步驟3所示。
[0039]第四，將硼氫化鋰(LiBH4)利用球磨機(jī)打成納米級(jí)細(xì)粉。將碳納米管復(fù)合材料放在一個(gè)振動(dòng)臺(tái)上，然后在其上表面倒上LiBH4細(xì)粉，利用振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)讓細(xì)粉填充到碳納米管管內(nèi)，得到防護(hù)材料，參見步驟4。
[0040]實(shí)施例4環(huán)氧樹脂樹脂基與碳納米管陣列的多功能防護(hù)材料制備
[0041 ] 首先，利用已知的現(xiàn)有技術(shù)(現(xiàn)有步驟)制備一個(gè)碳納米管陣列樣品(I )，碳納米管生長在一基板上(1.1)，垂直排列的碳納米管陣列(1.2)中每根碳納米管的生長方向基本上都與基板垂直。
[0042]其次，利用常溫下液態(tài)的環(huán)氧樹脂滲入碳納米管陣列中，并根據(jù)該樹脂的性質(zhì)在常溫常壓下進(jìn)行固化。
[0043]第三，利用機(jī)械 切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復(fù)合材料(3)切割下來，并將聚合物基-碳納米管陣列的復(fù)合材料表層切割掉一層使碳納米管由于兩端被切割，變成兩端開口碳納米管。
[0044]第四，將LiBH4的高H、Li含量物質(zhì)(4.1)填充入碳納米管的管內(nèi)，從而最終得到用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料。
[0045]實(shí)施例5有機(jī)硅樹酯基與碳納米管陣列的多功能防護(hù)材料制備
[0046]首先，利用已知的現(xiàn)有技術(shù)(現(xiàn)有步驟)制備一個(gè)碳納米管陣列樣品(I )，碳納米管生長在一基板上(1.1)，垂直排列的碳納米管陣列(1.2)中每根碳納米管的生長方向基本上都與基板垂直。
[0047]其次，利用常溫下液態(tài)的有機(jī)硅樹酯滲入碳納米管陣列中，并根據(jù)該樹脂的性質(zhì)在常溫常壓下進(jìn)行固化。
[0048]第三，利用機(jī)械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復(fù)合材料(3)切割下來，并將聚合物基-碳納米管陣列的復(fù)合材料表層切割掉一層使碳納米管由于兩端被切割，變成兩端開口碳納米管。
[0049]第四，將LiBH4的高H、Li含量物質(zhì)(4.1)填充入碳納米管的管內(nèi)，從而最終得到用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料。
[0050]實(shí)施例6橡膠基與碳納米管陣列的多功能防護(hù)材料制備
[0051 ] 首先，利用已知的現(xiàn)有技術(shù)(現(xiàn)有步驟)制備一個(gè)碳納米管陣列樣品(I )，碳納米管生長在一基板上(1.1)，垂直排列的碳納米管陣列(1.2)中每根碳納米管的生長方向基本上都與基板垂直。
[0052]其次，將橡膠設(shè)置在帶基板的碳納米管陣列上，在真空條件下加熱到100°C-20(TC使橡膠熔化，滲入碳納米管陣列中并進(jìn)行固化。
[0053]第三，利用機(jī)械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復(fù)合材料(3)切割下來，并將聚合物基-碳納米管陣列的復(fù)合材料表層切割掉一層使碳納米管由于兩端被切割，變成兩端開口碳納米管。
[0054]第四，將LiBH4的高H、Li含量物質(zhì)(4.1)填充入碳納米管的管內(nèi)，從而最終得到用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料。
[0055]在所有的上述實(shí)施例基礎(chǔ)上，可以在真空狀態(tài)下(IPa - 10Pa)，將熔融聚乙烯(加熱100-150°C將聚乙烯熔化)倒在復(fù)合材料表面上，利用碳納米管內(nèi)徑的毛細(xì)作用將液態(tài)聚乙烯吸入管內(nèi)，然后降溫，取出樣品，將碳納米管復(fù)合材料表面的聚乙烯除去，得到防護(hù)材料，從而代替將LiBH4填充入碳納米管的管內(nèi)來形成空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，形成新的全部實(shí)施例。
[0056]盡管上文對(duì)本專利的【具體實(shí)施方式】給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明專利的構(gòu)想對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附 圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，以碳納米管陣列為基礎(chǔ)，通過陣列表面放置的金屬材料使其加熱熔化或通過陣列表面滲入液體聚合物材料并利用毛細(xì)作用使碳納米管之間的間隙中充滿液態(tài)金屬或液體聚合物基體材料后固化形成金屬基或聚合物基碳納米管復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，其中，在液態(tài)金屬或聚合物固化后，將得到的碳納米管復(fù)合材料表面切割掉一層，使得碳納米管頂部封口被去除并去掉碳納米管底部基板。
3.如權(quán)利要求2所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，其中，去掉基板和頂部封口后，在兩端開口的碳納米管的管內(nèi)，填充入富含H、Li元素的材料。
4.如權(quán)利要求3所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，其中，富含H、Li元素的材料為LiBH4。
5.如權(quán)利要求2所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，其中，去掉基板和頂部封口后，在兩端開口的碳納米管的管內(nèi)，填充入聚乙烯材料。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料,其中所述金屬材料為鋁、鎂、銅、鐵、以及它們的合金材料。
7.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料，其中所述聚合物材料為不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂、有機(jī)硅樹酯的樹脂或橡膠。
8.一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護(hù)材料的制備方法，包括以下步驟:` I)利用碳納米管陣列生長方法在基板上生長得到垂直排列的碳納米管陣列，再進(jìn)行以下步驟之一； 2a)在碳納米管陣列表面上放置金屬，并將碳納米管陣列在真空或惰性氣體環(huán)境下加熱至高溫，溫度高于上述金屬的熔點(diǎn)以使金屬熔化，通過毛細(xì)作用使液體金屬充入到碳納米管之間的間隙中，降溫至室溫，得到金屬基碳納米管復(fù)合材料:或者 2b)在室溫條件下，將液態(tài)聚合物材料，例如包括不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹月旨、乙烯基酯樹脂、有機(jī)硅樹酯等的樹脂)或橡膠，滲入到碳納米管陣列表面，通過毛細(xì)作用使液體聚合物材料充入到碳納米管之間的間隙中，帶完全充滿后，將聚合物材料固化，得到聚合物基碳納米管復(fù)合材料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，該方法還包括以下步驟:3)利用機(jī)械切割、打磨或激光切割，將碳納米管陣列復(fù)合材料從基板上切割下來，并將碳納米管陣列復(fù)合材料表面的一層切割下來:4)在碳納米管管內(nèi)填入高H、Li含量的物質(zhì)。
10.如權(quán)利要求8-9任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述金屬為鋁、鎂、銅、鐵、以及它們的合金材料，所述高H、Li含量的物質(zhì)為LiBH4或聚乙烯。
【文檔編號(hào)】C08L21/00GK103774066SQ201410019477
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】劉宇明, 李蔓, 劉向鵬, 趙春晴, 姜利祥, 田東波, 徐坤博, 楊繼運(yùn) 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所