卫星表面的金色薄膜,一种重要的军事和工业材料
时间：2020-12-10 11:31:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
很多现代通信卫星、侦察卫星、深空探测器以及将要被送上太空的韦伯太空望远镜的表面，都被一层金灿灿或者银闪闪的薄膜覆盖着。这种薄膜对航天器的安全起着至关重要的作用。很多人将其誤认为是金箔或者是银箔，实际上，这是一种名叫聚酰亚胺的高性能聚合物材料与金属材料复合而成的薄膜。
这层薄膜是军事领域的苛刻需求催生出来的。不过，可惜的是这样的创意火花在刚开始就遭遇了市场难题。好在“阿波罗”计划的出现让该材料得到了用武之地，并终于在不断地升级中成为了航天领域和工业工程领域中不可或缺的关键材料。
始于洲际弹道导弹的贮存课题
上世纪50年代后期到60年代，随着大力神液体燃料洲际弹道导弹和民兵固体燃料洲际弹道导弹的崛起，美国解决了洲际弹道导弹从无到有的问题。但是，拥有了洲际导弹才是刚刚迈出的第一步。如何用好导弹，如何提高导弹生存能力，如何延长导弹的贮存寿命是非常关键的问题。
从“大力神”2号导弹开始，美国的洲际弹道导弹发射通常会带有棕红色的尾烟。这表明美国终于开始转为使用肼类燃料和四氧化二氮氧化剂这样的常温配置。液氧煤油方案在洲际弹道导弹中逐渐成为历史。而接踵而来的生存问题也随着地下发射井的发展而得到了一定程度上的解决。
“民兵”洲际弹道导弹以其快速反应能力和较强的生存能力使其前辈被迫提前退役。“民兵”导弹从I型到III型的不断改进和延寿就对导弹的材料提出了更高的要求。最终，美国空军开始把目光聚焦在洲际弹道导弹的寿命上来。
如果追溯导弹的发展历程，我们可以发现，人类对洲际弹道导弹的长寿命的研究从其入役伊始就启动了。由此促成了4种塑料、橡胶等材料在洲际弹道导弹上的应用：1.酚醛类材料;2.聚氨基甲酸乙酯;3.异丁烯橡胶;4.碱性环氧树脂。
这些淡黄色的粘稠液体或者致密的涂层使得洲际弹道导弹在地下发射井内的寿命得到了大幅延长。（“民兵”III型导弹的预期服役寿命被延长到了2030年。）
两种超级材料的诞生
上世纪60年代，美国空军、海军和大量的航空航天研发单位都在苦苦寻求能够进一步提升飞行器性能的新型高分子材料。在这样的背景下，杜邦公司推出了两种超级纤维，一种叫做“聚对苯二甲酰对苯二胺”，这种材料的强度是同等重量下的钢材的5倍（后来这种材料以她的商品名“凯芙拉”而为人所知），另一种就是本文的主角：聚酰亚胺。
上世纪60年代，杜邦的工程师将有机芳香四酸二酐和有机芳香二胺进行反应后的产物制成了聚酰胺酸溶液，然后经过高温热处理后，聚酰胺酸环化脱水，催生了聚酰亚胺的诞生。
这种材料刚一出现就表现出了极佳的性能。首先，其机械性能非常优异：聚酰亚胺的密度是钢材的6.89分之一，而抗拉强度则很高。未增强的基体材料的抗拉强度在100 MPa 以上，用均酐制备的Kapton薄膜的抗拉强度则为170 MPa ，而联苯型聚酰亚胺（Upilex S） 可达到400 MPa。也就是说，即使是早期版本的Kapton聚酰亚胺材料，其比强度也是钢材的2倍以上。另外，聚酰亚胺有突出的耐腐蚀性能，其抗氧化和抗腐蚀能力极强，一般的有机溶剂奈何不了她。
而且，聚酰亚胺的耐热性能简直是开了挂的：聚酰亚胺制成的物品，可靠工作温度在-100℃到300℃之间。（我们日常生活中能够找到的塑料产品如PP聚丙烯塑料，也就是常说的可以做微波炉加热容器的塑料，其使用温度范围为-20℃到120℃之间。）
聚酰亚胺刚一诞生，就成为了当时世界上最耐热的有机高分子材料，加上其不错的机械性能，这个先天条件足够使其在洲际弹道导弹领域发挥重要作用了。于是，上世纪60年代，以聚酰亚胺纤维改进酚醛树脂性能，用于洲际弹道导弹弹头的研究和用聚酰亚胺来缠绕固体火箭发动机外壳的研究就开始如雨后春笋一般地开展了起来。
可惜，聚酰亚胺的出现还是晚了那么几年。从1958年波音拿到订单到1967年4月份，这9年时间，波音生产并协助部署了整整1 000枚“民兵”导弹。直接参与到民兵项目中的波音员工，前后多达39 700人。大量“民兵”导弹已经被生产出来了，而且之前用的那些有机高分子材料的性能还是可以的。当时实验室里能够拿出的弹道导弹用聚酰亚胺材料，其热稳定温度高达371℃，当工程师们兴奋地把结果公布并期待“民兵”导弹大量采用的时候，得到的答复是，原本的芳香锦纶的热稳定温度已经达到了204℃，没有更换材料的迫切需求。
航天器热控制的重要帮手
当然，好东西一定会派上好用场的，是金子总会发光的，更何况聚酰亚胺本身就是一种金灿灿的材料呢。
上世纪60年代，“阿波罗”计划正在如火如荼地进行中。公元1969年7月20日20时17分43秒，阿姆斯特朗登上了月球表面，然后说了“这是我的一小步，却是人类的一大步”这句话。不过，大家先别忙着看阿姆斯特朗本人的腿，还是得请留意一下阿波罗登月舱的“腿”吧。在登月舱的支撑柱表面包裹的，正是差一点就被历史尘封的聚酰亚胺。
