用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料，以碳納米管陣列為基礎，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，同時填入的金屬或聚合物材料起到結構力學性能增強作用。該復合材料具有很高的力學性能，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防護多種空間環(huán)境的功能。
【專利說明】用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及航天器的空間環(huán)境防護研究領域，特別是涉及一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料以及利用碳納米管超高的力學性能，將其作為結構主體，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材料的制備工藝。
【背景技術】
[0002]建造長期在軌運行的空間站項目是我國國家中長期科技重大專項中的一項，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行顯得更為重要。
[0003]在空間站在軌運行期間，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，其安全性將會受到影響，嚴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)境對空間站的威脅巨大。
[0004]空間站運行在低地球軌道上,該軌道上有著大量的空間碎片。空間碎片與空間站的相對運動速度非?？?，可達lOkm/s。如此高速度的碎片撞擊到空間站上，會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，造成空間站結構的損毀。因此，除了采用空間站主動規(guī)避大的空間碎片(直徑厘米量級以上)外，更多情況下需要采用防護材料阻止中等尺度的空間 碎片(直徑毫米量級)對空間站的直接撞擊，保護空間站的安全。
[0005]同時，輻射對人的身體健康有著巨大影響，會引發(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，會因引起航天員瞬時的輻射劑量嚴重超過安全值，嚴重損害航天員健康。因此，空間站在設計建造時，必須考慮輻射防護，采用高性能防護材料，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，防護空間碎片的材料一般選擇強度較高、吸能效果較好的結構材料，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，由于兩種防護材料分別屬于不同材料類別，性能有很大差別，所以在進行空間碎片和輻射環(huán)境防護時，分別選取不同材料進行防護設計，這極大地增加了空間環(huán)境防護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)境多功能防護材料，能夠大幅度降低空間防護材料的重量的同時，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)境多功能防護材料，利用自組織生長的碳納米管陣列為結構主體，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)境的多功能防護材料。本發(fā)明的材料可以大幅降低空間站防護材料的重量，提高空間站的安全性，并可以簡化空間站的空間環(huán)境防護設計，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)境防護一般采用一種材料來防護一種環(huán)境的弊端，利用碳納米管超高的力學性能，將其作為結構主體，在碳納米管的間隙間充入金屬或聚合物，起到結構增強作用，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]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術方案:
[0011]一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料，以碳納米管陣列為基礎，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以使金屬熔化，通過毛細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合材料。
[0018]其中，該方法還包括以下步驟:3)利用機械切割、打磨或激光切割，將碳納米管陣列復合材料從基板上切割下來，并將碳納米管陣列復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性能，楊氏模量可達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體現(xiàn)每個碳納米管的力學性能集合。而填入的金屬或聚合物材料起到結構力學性能增強作用，因此，復合材料具有很高的力學性能，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防護多種空間環(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合材料；4_空間碎片、輻射多功能防護材料，其中4.1為填入碳納米管管內(nèi)的高H、Li含量物質(zhì)。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發(fā)明的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料制備過程作進一步的說明，同時結合結構圖簡單說明本發(fā)明方法制備獲得的多功能防護材料的結構。
[0024]其中，圖1為本發(fā)明的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料制備過程示意圖。
[0025]實施例1鋁基與碳納米管陣列的多功能防護材料制備
[0026]首先，利用已知的現(xiàn)有技術(現(xiàn)有步驟)制備一個碳納米管陣列樣品(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合材料。
[0028]第三，利用機械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復合材料(3)切割下來，并將金屬基-碳納米管陣列的復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)利用球磨機打成納米級細粉。將碳納米管復合材料放在一個振動臺上，然后在其上表面倒上LiBH4細粉，利用振動臺的振動讓細粉填充到碳納米管管內(nèi)，得到防護材料，參見步驟4。
[0030]實施例2銅基與碳納米管陣列的多功能防護材料制備
[0031 ] 首先，利用已知的現(xiàn)有技術(現(xiàn)有步驟)制備一個碳納米管陣列樣品(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合材料。
[0033]第三，利用機械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復合材料(3)切割下來，并將金屬基-碳納米管陣列的復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)利用球磨機打成納米級細粉。將碳納米管復合材料放在一個振動臺上，然后在其上表面倒上LiBH4細粉，利用振動臺的振動讓細粉填充到碳納米管管內(nèi)，得到防護材料，參見步驟4。
[0035]實施例3鐵基與碳納米管陣列的多功能防護材料制備
[0036]首先，利用已知的現(xiàn)有技術(現(xiàn)有步驟)制備一個碳納米管陣列樣品(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合材料。
[0038]第三，利用機械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復合材料(3)切割下來，并將金屬基-碳納米管陣列的復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)利用球磨機打成納米級細粉。將碳納米管復合材料放在一個振動臺上，然后在其上表面倒上LiBH4細粉，利用振動臺的振動讓細粉填充到碳納米管管內(nèi)，得到防護材料，參見步驟4。
[0040]實施例4環(huán)氧樹脂樹脂基與碳納米管陣列的多功能防護材料制備
[0041 ] 首先，利用已知的現(xiàn)有技術(現(xiàn)有步驟)制備一個碳納米管陣列樣品(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)在常溫常壓下進行固化。
[0043]第三，利用機械 切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復合材料(3)切割下來，并將聚合物基-碳納米管陣列的復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)境多功能防護材料。
[0045]實施例5有機硅樹酯基與碳納米管陣列的多功能防護材料制備
[0046]首先，利用已知的現(xiàn)有技術(現(xiàn)有步驟)制備一個碳納米管陣列樣品(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)在常溫常壓下進行固化。
[0048]第三，利用機械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復合材料(3)切割下來，并將聚合物基-碳納米管陣列的復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)境多功能防護材料。
[0050]實施例6橡膠基與碳納米管陣列的多功能防護材料制備
[0051 ] 首先，利用已知的現(xiàn)有技術(現(xiàn)有步驟)制備一個碳納米管陣列樣品(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行固化。
[0053]第三，利用機械切割、打磨或激光切割，從基板上將碳納米管陣列復合材料(3)切割下來，并將聚合物基-碳納米管陣列的復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)境多功能防護材料。
[0055]在所有的上述實施例基礎上，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)倒在復合材料表面上，利用碳納米管內(nèi)徑的毛細作用將液態(tài)聚乙烯吸入管內(nèi)，然后降溫，取出樣品，將碳納米管復合材料表面的聚乙烯除去，得到防護材料，從而代替將LiBH4填充入碳納米管的管內(nèi)來形成空間環(huán)境多功能防護材料，形成新的全部實施例。
[0056]盡管上文對本專利的【具體實施方式】給予了詳細描述和說明，但是應該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明專利的構想對上述實施方式進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，均應在本專利的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料，以碳納米管陣列為基礎，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合材料。
2.如權利要求1所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料，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.如權利要求2所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料，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.如權利要求3所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料，其中，富含H、Li元素的材料為LiBH4。
5.如權利要求2所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料，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.如權利要求1-5任一項所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料,其中所述金屬材料為鋁、鎂、銅、鐵、以及它們的合金材料。
7.如權利要求1-5任一項所述的用于空間站的空間環(huán)境多功能防護材料，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以使金屬熔化，通過毛細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合材料。
9.如權利要求8所述的方法，其中，該方法還包括以下步驟:3)利用機械切割、打磨或激光切割，將碳納米管陣列復合材料從基板上切割下來，并將碳納米管陣列復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.如權利要求8-9任一項所述的方法，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】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 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所