用于空间站的空间环境多功能防护材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于空间站的空间环境多功能防护材料，以碳纳米管阵列为基础，通过阵列表面放置的金属材料使其加热熔化或通过阵列表面倒上的渗入液体聚合物材料并利用毛细作用使碳纳米管之间的间隙中填充充满入液态金属或液体聚合物基体材料后固化。此外，也公开了一种该防护材料的制备方法。本发明基于单根碳纳米管有着极高的力学性能且碳纳米管阵列因碳纳米管都是同一方向取向的，同时填入的金属或聚合物材料起到结构力学性能增强作用。该复合材料具有很高的力学性能，是良好的防碎片材料，后续在碳纳米管内填入的高防辐射材料又并能够起到很好的防空间高能粒子辐射的作用，从而使该材料具备同时防护多种空间环境的功能。
【专利说明】用于空间站的空间环境多功能防护材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天器的空间环境防护研究领域，特别是涉及一种用于空间站的空间环境多功能防护材料以及利用碳纳米管超高的力学性能，将其作为结构主体，在碳纳米管的间隙间充入金属或聚合物，在碳纳米管管内填入高防辐射材料从而制备得到的多功能防护材料的制备工艺。
【背景技术】
[0002]建造长期在轨运行的空间站项目是我国国家中长期科技重大专项中的一项，空间站由于有人职守，与其他无人航天器相比，保障空间站的在轨安全运行显得更为重要。
[0003]在空间站在轨运行期间，由于受到空间环境的作用，如空间碎片、高能粒子辐射、原子氧、温度等，其安全性将会受到影响，严重威胁到航天员的安全。特别是空间碎片和高能粒子辐射环境对空间站的威胁巨大。
[0004]空间站运行在低地球轨道上,该轨道上有着大量的空间碎片。空间碎片与空间站的相对运动速度非常快，可达lOkm/s。如此高速度的碎片撞击到空间站上，会给空间站带来极大的破坏作用。有的碎片可以击穿空间站的舱壁，造成空间站结构的损毁。因此，除了采用空间站主动规避大的空间碎片(直径厘米量级以上)外，更多情况下需要采用防护材料阻止中等尺度的空间 碎片(直径毫米量级)对空间站的直接撞击，保护空间站的安全。
[0005]同时，辐射对人的身体健康有着巨大影响，会引发肿瘤等恶性疾病。航天员在空间站工作期间，由于空间中高能粒子辐射环境的作用，也会增加患病的几率。特别是在太阳耀斑爆发期间，大量高能粒子入射到空间站上，会因引起航天员瞬时的辐射剂量严重超过安全值，严重损害航天员健康。因此，空间站在设计建造时，必须考虑辐射防护，采用高性能防护材料，力争将空间辐射给宇航员带来的危害降低到可以接受的水平，以提高航天员的辐射安全性。
[0006]目前，防护空间碎片的材料一般选择强度较高、吸能效果较好的结构材料，如金属材料等。而防高能粒子辐射的材料一般选择原子序数较小的材料，如液氢，液态甲烷，聚乙烯、石墨等。但是，由于两种防护材料分别属于不同材料类别，性能有很大差别，所以在进行空间碎片和辐射环境防护时，分别选取不同材料进行防护设计，这极大地增加了空间环境防护材料在空间站中的重量配额。
[0007]然而，目前还没有一种能够很好地满足空间站需求的空间环境多功能防护材料，能够大幅度降低空间防护材料的重量的同时，显著提高空间站的安全性。
【发明内容】
[0008]本发明的目的之一是提供一种用于空间站的空间环境多功能防护材料，利用自组织生长的碳纳米管阵列为结构主体，以金属或聚合物为基体材料，并在碳纳米管管内填充高H、Li含量的防辐射材料，从而制备集防空间碎片、防空间高能粒子辐射环境的多功能防护材料。本发明的材料可以大幅降低空间站防护材料的重量，提高空间站的安全性，并可以简化空间站的空间环境防护设计，减少空间站建造成本。
[0009]本发明的另一目的是提供一种多功能防护材料的制备方法，本发明避免了现有空间站的空间环境防护一般采用一种材料来防护一种环境的弊端，利用碳纳米管超高的力学性能，将其作为结构主体，在碳纳米管的间隙间充入金属或聚合物，起到结构增强作用，从而具备防空间碎片的作用。在碳纳米管的管内填入高性能防辐射材料，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较好的防福射材料。
[0010]为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案:
[0011]一种用于空间站的空间环境多功能防护材料，以碳纳米管阵列为基础，通过阵列表面放置的金属材料使其加热熔化或通过阵列表面渗入液体聚合物材料并利用毛细作用使碳纳米管之间的间隙中充满液态金属或液体聚合物基体材料后固化形成金属基或聚合物基碳纳米管复合材料。
[0012]其中，在液态金属或聚合物固化后，将得到的碳纳米管复合材料表面切割掉一层，使得碳纳米管顶部封口被去除并去掉基板。
[0013]其中，去掉基板和顶部封口后，在两端开口的碳纳米管的管内，填充入例如LiBH4材料的富含H、Li元素的材料。
[0014]一种用于空间站的空间环境多功能防护材料的制备方法，包括以下步骤:
[0015]I)利用碳纳米管阵列生长方法在基板上生长得到垂直排列的碳纳米管阵列，再进行以下步骤之一；
[0016]2a)在碳纳米管阵列表面上放置金属，例如铝、镁、铜、铁、以及它们的合金材料，并将碳纳米管阵列在真空或惰 性气体环境下加热至高温，温度高于上述金属的熔点以使金属熔化，通过毛细作用使液体金属充入到碳纳米管之间的间隙中，降温至室温，得到金属基碳纳米管复合材料:或者
[0017]2b)在室温条件下，将液态聚合物材料，例如包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树酯等的树脂)、橡胶等，渗入到碳纳米管阵列表面，通过毛细作用使液体聚合物材料充入到碳纳米管之间的间隙中，带完全充满后，将聚合物材料固化，得到聚合物基碳纳米管复合材料。
[0018]其中，该方法还包括以下步骤:3)利用机械切割、打磨或激光切割，将碳纳米管阵列复合材料从基板上切割下来，并将碳纳米管阵列复合材料表面的一层切割下来。
[0019]其中，该方法还包括以下步骤:4)在碳纳米管管内填入高H、Li含量的物质，如LiBH4、聚乙烯等。
[0020]本发明基于单根碳纳米管有着极高的力学性能，杨氏模量可达lTpa，且碳纳米管阵列因碳纳米管都是同一方向取向的，因此碳纳米管阵列的垂直方向上应体现每个碳纳米管的力学性能集合。而填入的金属或聚合物材料起到结构力学性能增强作用，因此，复合材料具有很高的力学性能，是良好的防碎片材料。此外，碳纳米管及其管内填入的防辐射材料能够起到很好的防空间高能粒子辐射的作用，从而使该材料具备同时防护多种空间环境的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的用于空间站的空间环境多功能防护材料的制备过程示意图。[0022]图中:1-生长在基板上的碳纳米管阵列，其中1.1为基板，1.2为垂直排列的碳纳米管阵列；2_金属基-碳纳米阵列复合材料，其中2.1为填充在碳纳米管之间间隙的金属材料；3_切割后的碳纳米阵列复合材料；4_空间碎片、辐射多功能防护材料，其中4.1为填入碳纳米管管内的高H、Li含量物质。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明的用于空间站的空间环境多功能防护材料制备过程作进一步的说明，同时结合结构图简单说明本发明方法制备获得的多功能防护材料的结构。
[0024]其中，图1为本发明的用于空间站的空间环境多功能防护材料制备过程示意图。
[0025]实施例1铝基与碳纳米管阵列的多功能防护材料制备
[0026]首先，利用已知的现有技术(现有步骤)制备一个碳纳米管阵列样品(I )，碳纳米管生长在一基板上(1.1)，垂直排列的碳纳米管阵列(1.2)中每根碳纳米管的生长方向基本上都与基板垂直。
[0027]其次，将碳纳米管阵列在Ar气或真空条件下加热至高温650-700°C，碳纳米管表面事先均放置铝屑，铝屑重量按照碳纳米管阵列的体积X (80% -90%)X铝的密度计算得到。在高温650-700°C保持20分钟，然后降温至室温，取出样品，得到碳纳米管金属复合材料。
[0028]第三，利用机械切割、打磨或激光切割，从基板上将碳纳米管阵列复合材料(3)切割下来，并将金属基-碳纳米管阵列的复合材料表层切割掉一层使碳纳米管由于两端被切害I]，变成两端开口碳纳米管，如图中步骤3所示。
`[0029]第四，将硼氢化锂(LiBH4)利用球磨机打成纳米级细粉。将碳纳米管复合材料放在一个振动台上，然后在其上表面倒上LiBH4细粉，利用振动台的振动让细粉填充到碳纳米管管内，得到防护材料，参见步骤4。
[0030]实施例2铜基与碳纳米管阵列的多功能防护材料制备
[0031 ] 首先，利用已知的现有技术(现有步骤)制备一个碳纳米管阵列样品(I )，碳纳米管生长在一基板上(1.1)，垂直排列的碳纳米管阵列(1.2)中每根碳纳米管的生长方向基本上都与基板垂直。
[0032]其次，将碳纳米管阵列在Ar气或真空条件下加热至高温1100°C，碳纳米管表面事先均放置铜屑，铜屑重量按照碳纳米管阵列的体积X (80% -90%) X铜的密度计算得到。在高温1100°C保持30分钟，然后降温至室温，取出样品，得到碳纳米管金属复合材料。
[0033]第三，利用机械切割、打磨或激光切割，从基板上将碳纳米管阵列复合材料(3)切割下来，并将金属基-碳纳米管阵列的复合材料表层切割掉一层使碳纳米管由于两端被切害I]，变成两端开口碳纳米管，如图中步骤3所示。
[0034]第四，将硼氢化锂(LiBH4)利用球磨机打成纳米级细粉。将碳纳米管复合材料放在一个振动台上，然后在其上表面倒上LiBH4细粉，利用振动台的振动让细粉填充到碳纳米管管内，得到防护材料，参见步骤4。
[0035]实施例3铁基与碳纳米管阵列的多功能防护材料制备
[0036]首先，利用已知的现有技术(现有步骤)制备一个碳纳米管阵列样品(I )，碳纳米管生长在一基板上(1.1)，垂直排列的碳纳米管阵列(1.2)中每根碳纳米管的生长方向基本上都与基板垂直。
[0037]其次，将碳纳米管阵列在Ar气或真空条件下加热至高温1550°C，碳纳米管表面事先均放置铁屑，铁屑重量按照碳纳米管阵列的体积X (80% -90%) X铁的密度计算得到。在高温1550°C保持30分钟，然后降温至室温，取出样品，得到碳纳米管金属复合材料。
[0038]第三，利用机械切割、打磨或激光切割，从基板上将碳纳米管阵列复合材料(3)切割下来，并将金属基-碳纳米管阵列的复合材料表层切割掉一层使碳纳米管由于两端被切害I]，变成两端开口碳纳米管，如图中步骤3所示。
[0039]第四，将硼氢化锂(LiBH4)利用球磨机打成纳米级细粉。将碳纳米管复合材料放在一个振动台上，然后在其上表面倒上LiBH4细粉，利用振动台的振动让细粉填充到碳纳米管管内，得到防护材料，参见步骤4。
[0040]实施例4环氧树脂树脂基与碳纳米管阵列的多功能防护材料制备
[0041 ] 首先，利用已知的现有技术(现有步骤)制备一个碳纳米管阵列样品(I )，碳纳米管生长在一基板上(1.1)，垂直排列的碳纳米管阵列(1.2)中每根碳纳米管的生长方向基本上都与基板垂直。
[0042]其次，利用常温下液态的环氧树脂渗入碳纳米管阵列中，并根据该树脂的性质在常温常压下进行固化。
[0043]第三，利用机械 切割、打磨或激光切割，从基板上将碳纳米管阵列复合材料(3)切割下来，并将聚合物基-碳纳米管阵列的复合材料表层切割掉一层使碳纳米管由于两端被切割，变成两端开口碳纳米管。
[0044]第四，将LiBH4的高H、Li含量物质(4.1)填充入碳纳米管的管内，从而最终得到用于空间站的空间环境多功能防护材料。
[0045]实施例5有机硅树酯基与碳纳米管阵列的多功能防护材料制备
[0046]首先，利用已知的现有技术(现有步骤)制备一个碳纳米管阵列样品(I )，碳纳米管生长在一基板上(1.1)，垂直排列的碳纳米管阵列(1.2)中每根碳纳米管的生长方向基本上都与基板垂直。
[0047]其次，利用常温下液态的有机硅树酯渗入碳纳米管阵列中，并根据该树脂的性质在常温常压下进行固化。
[0048]第三，利用机械切割、打磨或激光切割，从基板上将碳纳米管阵列复合材料(3)切割下来，并将聚合物基-碳纳米管阵列的复合材料表层切割掉一层使碳纳米管由于两端被切割，变成两端开口碳纳米管。
[0049]第四，将LiBH4的高H、Li含量物质(4.1)填充入碳纳米管的管内，从而最终得到用于空间站的空间环境多功能防护材料。
[0050]实施例6橡胶基与碳纳米管阵列的多功能防护材料制备
[0051 ] 首先，利用已知的现有技术(现有步骤)制备一个碳纳米管阵列样品(I )，碳纳米管生长在一基板上(1.1)，垂直排列的碳纳米管阵列(1.2)中每根碳纳米管的生长方向基本上都与基板垂直。
[0052]其次，将橡胶设置在带基板的碳纳米管阵列上，在真空条件下加热到100°C-20(TC使橡胶熔化，渗入碳纳米管阵列中并进行固化。
[0053]第三，利用机械切割、打磨或激光切割，从基板上将碳纳米管阵列复合材料(3)切割下来，并将聚合物基-碳纳米管阵列的复合材料表层切割掉一层使碳纳米管由于两端被切割，变成两端开口碳纳米管。
[0054]第四，将LiBH4的高H、Li含量物质(4.1)填充入碳纳米管的管内，从而最终得到用于空间站的空间环境多功能防护材料。
[0055]在所有的上述实施例基础上，可以在真空状态下(IPa - 10Pa)，将熔融聚乙烯(加热100-150°C将聚乙烯熔化)倒在复合材料表面上，利用碳纳米管内径的毛细作用将液态聚乙烯吸入管内，然后降温，取出样品，将碳纳米管复合材料表面的聚乙烯除去，得到防护材料，从而代替将LiBH4填充入碳纳米管的管内来形成空间环境多功能防护材料，形成新的全部实施例。
[0056]尽管上文对本专利的【具体实施方式】给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附 图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于空间站的空间环境多功能防护材料，以碳纳米管阵列为基础，通过阵列表面放置的金属材料使其加热熔化或通过阵列表面渗入液体聚合物材料并利用毛细作用使碳纳米管之间的间隙中充满液态金属或液体聚合物基体材料后固化形成金属基或聚合物基碳纳米管复合材料。
2.如权利要求1所述的用于空间站的空间环境多功能防护材料，其中，在液态金属或聚合物固化后，将得到的碳纳米管复合材料表面切割掉一层，使得碳纳米管顶部封口被去除并去掉碳纳米管底部基板。
3.如权利要求2所述的用于空间站的空间环境多功能防护材料，其中，去掉基板和顶部封口后，在两端开口的碳纳米管的管内，填充入富含H、Li元素的材料。
4.如权利要求3所述的用于空间站的空间环境多功能防护材料，其中，富含H、Li元素的材料为LiBH4。
5.如权利要求2所述的用于空间站的空间环境多功能防护材料，其中，去掉基板和顶部封口后，在两端开口的碳纳米管的管内，填充入聚乙烯材料。
6.如权利要求1-5任一项所述的用于空间站的空间环境多功能防护材料,其中所述金属材料为铝、镁、铜、铁、以及它们的合金材料。
7.如权利要求1-5任一项所述的用于空间站的空间环境多功能防护材料，其中所述聚合物材料为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂、有机硅树酯的树脂或橡胶。
8.一种用于空间站的空间环境多功能防护材料的制备方法，包括以下步骤:` I)利用碳纳米管阵列生长方法在基板上生长得到垂直排列的碳纳米管阵列，再进行以下步骤之一； 2a)在碳纳米管阵列表面上放置金属，并将碳纳米管阵列在真空或惰性气体环境下加热至高温，温度高于上述金属的熔点以使金属熔化，通过毛细作用使液体金属充入到碳纳米管之间的间隙中，降温至室温，得到金属基碳纳米管复合材料:或者 2b)在室温条件下，将液态聚合物材料，例如包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树月旨、乙烯基酯树脂、有机硅树酯等的树脂)或橡胶，渗入到碳纳米管阵列表面，通过毛细作用使液体聚合物材料充入到碳纳米管之间的间隙中，带完全充满后，将聚合物材料固化，得到聚合物基碳纳米管复合材料。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该方法还包括以下步骤:3)利用机械切割、打磨或激光切割，将碳纳米管阵列复合材料从基板上切割下来，并将碳纳米管阵列复合材料表面的一层切割下来:4)在碳纳米管管内填入高H、Li含量的物质。
10.如权利要求8-9任一项所述的方法，其中，所述金属为铝、镁、铜、铁、以及它们的合金材料，所述高H、Li含量的物质为LiBH4或聚乙烯。
【文档编号】C08L21/00GK103774066SQ201410019477
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】刘宇明, 李蔓, 刘向鹏, 赵春晴, 姜利祥, 田东波, 徐坤博, 杨继运 申请人:北京卫星环境工程研究所