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嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图(方位投影)。新华社发(国家航天局 供图)
嫦娥四号着陆器地形地貌相机环拍全景图(方位投影)。新华社发(国家航天局 供图)
最近有在关注中国探索月球大新闻的朋友们,

是否有注意到一个小小细节,

在极端的月球气温环境中(白天最高温度可达160摄氏度,夜间最低温度低到零下180摄氏度),

嫦娥四号着陆器及玉兔二号巡视器身上的五星红旗依然色彩鲜艳,

亮丽的“中国红”在每次传回地球的探月照片中十分吸睛。

如何让五星红旗在月面近300度的温差和强紫外环境下,依然鲜亮且长久不褪色?

这其中大有学问!


据悉,航天科技人员选择了聚酰亚胺的有机高分子薄膜材料用于制作嫦娥四号着陆器及玉兔二号巡视器身上的五星红旗。

聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一,耐高温达400℃以上 ,长期使用温度范围-200~300℃,部分无明显熔点,高绝缘性能。这一特性,再适合月球生存不过了!

为了让国旗牢牢附着在探测器表面,采用背胶与铆钉相结合的固定方式,国旗质量从200克下降到20克,最大限度地降低对星用载荷仪器的影响。


位置也有讲究!研制团队进行了上百次模拟演练,几乎试遍了每一个可用的区域,验证了每一个可能的光线范围和拍摄角度、拍摄距离。

最终选定绑定国旗的C位,让着陆器和巡视器上的国旗,都在对方的摄像范围之内,确保清晰可见。

国旗的上色工艺也是量身定制。

据悉最初选用激光喷绘,表面细小的颗粒物总让人感觉色彩不均匀。

最后完全更换了工艺,特别委托研制了一套高精度的丝网印刷设备,印制出的五星红旗比镜面还光滑,在阳光下熠熠生辉。


可试验中还是出了问题,当真空环模试验温度增加到一定水平时,红旗的色彩和图案全部蒸发,只剩下一片光秃秃的长方形材料。

科研人员经过一个多月加班加点,连续进行了七次热真空试验,以5℃为一个步进单位逐步调整试验温度,终于找到了症结所在。

最终,在±170℃范围内,整整一个月的真空环境试验,五星红旗都能保持本色,鲜艳如新!

厉害了,聚酰亚胺!


不过,这已不是聚酰亚胺第一次助力人类航空航天事业啦!

1. 早在上世纪60年代末,阿波罗成功登月举世轰动。要知道,阿波罗要承受的可是月球上-233°C到 123°C温差骤变,以及无时不刻的外辐射,在这种极端环境下,就是聚酰亚胺在默默地充当“保护伞” 。


2. 2013年底欧空局发射升空的盖亚(Gaia),是一颗大型太空望远镜。同样地,运行中的盖亚面临着零下200多摄氏度的低温和超强太空辐射的严峻考验,这时候也是聚酰亚胺在保护着它,并且一守护就是5年!



3. 2015年,冥王星第一张高清彩色“证件照”的新视野号深刻探测器上面,也是满满一层采用聚酰亚胺制成的多层隔热层。



4. 除了聚酰亚胺薄膜,聚酰亚胺泡沫材料也在航天航空应用中玩转得溜溜溜。

比如美国火星探测车使用聚酰亚胺泡沫塑料填充物,用于减缓车轮转动中的振动,在严酷的火星环境中经受了考验。


5. Delta II卫星运载火箭的仪表舱整流罩及其舱间连接填充了聚酰亚胺泡沫塑料,其优异的耐蠕变性能可保证符合材料在固化过程中不发生形变。



6. 哈勃太空望远镜太阳能电池帆中所用夹层中间填充的聚酰亚胺泡沫塑料可减小发射过程中光电太阳能电池的振动,起到缓冲保护作用。

7. 此外,采用高性能聚酰亚胺复合材料还能大大延长飞机寿命!

英国与意大利合资的Agusta Westland直升机公司研制的EH-101直升机主桨叶旋翼,采用具有超耐用性能及超耐疲劳的聚酰亚胺复合材料,使其能承受使用过程中旋翼所产生的高动力载荷,让直升机旋翼的使用寿命有了质的飞跃。



另外,空中客车A340-500、600均采用聚酰亚胺复合材料加强气密机舱的球面框,大幅度提高其抗疲劳性和质量。

9. 聚酰亚胺材料还可以用在飞机发动机零件上,发动机部分关键部件要求在300-400°C的高温工作,如军机战略巡航时,发动机需要在这一温度环境下使用数百小时。

最早期的是上世纪70年代,由美国NASA Lewis研究所在聚酰亚胺材料上开发的PMR-15基体制件,使用温度高达300°C;

随后其又研究出升级版DMBZ-15降冰片烯封端聚酰亚胺复合材料,可耐343 °C高温。

近年来,业界可谓不断挑战树脂基复合材料的耐热极限。

例如美国成功研制了第四代有机无机杂化聚酰亚胺复合材料树脂基体,可在450℃下长期使用,使PI复合材料耐温能力逼近钛合金。

根据Research and Markets研究,2017年全球聚酰亚胺薄膜市场总值约为15.2亿美元,预计到2022年将达到24.5亿美元,年复合增长率为10%。

报道还指出,全球聚酰亚胺薄膜主要应用行业为电子、汽车、航空及标签行业等,亚太区将成为最大的聚酰亚胺薄膜市场。

当中,预计航空航天行业的聚酰亚胺薄膜市场总值于2017-2022年中将录得最大的增幅。

看来,聚酰亚胺在航空航天的应用,前景可期啊!

不过,聚酰亚胺技术在世界范围内呈寡头垄断局面,技术封锁严密。聚酰亚胺薄膜发展较好,拥有技术的巨头企业较多,但聚酰亚胺薄膜仍属于高技术壁垒行业。

目前全球产能仍然主要由国外少数企业所垄断,包括美国杜邦、日本钟化、韩国SKPI以及日本宇部兴产株式会社等。

“玉兔”、“嫦娥”虽然登月了,中国的聚酰亚胺产业也要继续加油啊!


资料来源:中国聚合物网、话匣子、东方财富网、NASA官网
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