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慧正資訊：面對浩瀚宇宙，從古至今人類都充滿了疑問：眾多星球中，存在類似地球一樣的星球嗎？除了人類，還有存在其他靈長類的生物嗎？等等一系列問題。當然，美國好萊塢推出的一系列大片來滿足了普通人的好奇心！然而，根據聯合國人口基金會調查顯示，在2016年，全世界人口就已經超過了72億。預計在未來較長一段時間內，人口數量還會持續增加。迫使人類加快對宇宙的探索，希望可以找到類似地球的星球，從而移居部分人類以緩解地球的壓力。其實，生產具有超強和超輕結構的材料技術在很大程度上決定了人類對空間的探索、利用以及星球移居的進展。
圖1、選擇具有超穩定空間結構材料所面臨的挑戰
在過去的幾十年里，科研人員進行了大量的科學研究，以便開發并制造出能夠用于航天器中關鍵尺寸器件的尺寸超穩定結構的材料。并研發出了碳纖維增強的聚合物材料，導致了結構設計具有接近零的熱膨脹系數的特點。然而，由于水分的進入和釋放而導致的尺寸不穩定仍然是基體的基本脆弱性，限制了該材料的許多應用。
基于此，英國薩里大學的S. R. P. Silva教授（通訊作者）團隊報道了一種機械耦合的多層擴散阻隔增強的碳纖維復合材料（BECFRP），可以顯著降低水分的擴散速率，并消除揮發性有機化合物（VOCs）的釋放。所制備的BECFRP具有機械完整性和強度，且強度優于CFRP，同時保持不透濕和脫氣性。更重要的是，即使在熱循環之后，與應力匹配的表面也減少了表面的應力和污染，從而具有更強的附著力和機械完整性。雖然機械集成的壁壘很薄（<1 μm），但是對整體結構的熱膨脹系數（CTE）并沒有影響。此外，本文還報道了一種專門設計的等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）系統，利用該系統能夠在單次沉積過程中甚至將復雜形狀的三維（3D）組件封裝起來，而無需要從原材料中看到。同時，也可以選擇性地沉積最上層的發射層，以在光學結構周圍提供黑體吸收。
【圖文解讀】
解析：通常，與纖維方向共線的表面方向具有高剛度、低熱膨脹系數（CTE）和低水分膨脹系數（CME），而垂直方向則具有低剛度、高CTE和CME）如圖2a所示，將整體溫度升高1℃后，CFRP上的碳膜（DLC）的機械應力變化（CTE=5 ppm）。而圖2a的插圖顯示了這種涂層的機械應力失效，是沿纖維方向發生。在CFRP的表面和DLC阻擋層間使用聚對二甲苯作為機械緩沖層以使應力最小化。當使用100 nm厚的聚對二甲苯作為緩沖層時，DLC涂層上的機械應力明顯降低。通過熱應力測試發現，在多次從77-394 K的熱應力循環之后，BECFRP中的阻隔涂層也通過了附著力測試。
圖2、CFRP和涂層組件內的應力模型
解析：圖3a展示了沉積在CFRP表面上的涂層的橫截面，該結構的特征曲率半徑為1-2 μm。注意，圖3a中CFRP表面波峰上方的孔是樣品橫截面制備過程的偽影。圖3d展示了涂層的機械完整性，即使在液氮（LN2）中的熱應力循環過程中，涂層仍保持與CFRP的粘附。而圖3e展示了在制造后涂覆3D空間組件的能力，利用等離子體能夠完全包圍3D組件的整個表面，因此能在其整個表面上形成涂層。
此外，利用水分吸收測試表明，對于具有不同數量DLC阻隔層的樣品，暴露于加速的溫度和濕度條件（85％RH，60℃）下，該涂層具有作為防潮層的性能（圖3f-g）。最佳擬合線顯示，在測量誤差范圍內，在700 h接近穩態時測量的速率值為約4×10-3 g m-2day-1。利用微揮發性可冷凝材料（-VCM）測量來確定除氣效果，包括VOCs的釋放。與在125°C下烘烤336 h的未涂覆CFRP樣品相比，BECFRP樣品在暴露于真空和熱加熱下的總質量損失值均顯著較低。表明增強屏障可以將水和有機污染物保留在CFRP內，以更好地減輕污染物的影響。所有阻隔增強樣品收集到的揮發性可冷凝物（CVCM）的測量值為0.000％，而烘烤后CFRP的測量值為0.005％。
圖3、CFRP的結構表征和防潮層增強
解析：利用拉剪力實驗的機械力測量發現，BECFRP樣品的拉剪切應力從約15 MPa提高到了約24 MPa（提高了35％）。此外，BECFRP樣品的破壞機理是纖維夾層分層。航空結構粘合劑對BECFRP的涂層表面具有更好的粘附力。而未涂覆的CFRP表面的X-ray光電子能譜分析（圖4b）表明在CFRP生產過程中有殘留的硅，在標準樣品清潔和制備過程中未完全除去硅，但通過加入BECFRP的阻隔增強劑可以消除。然而，在接頭重復進行熱循環（從-50℃-+80℃循環60次）后，也可以觀察到拉剪切強度的提高。從制造和機械的角度來看，這增強了涂層結構在航空航天領域的適用性。此外，還強調了BECFRP的制造多功能性，既可應用于2D構建塊并粘合在一起，又可直接應用于最終3D組件。
圖4、BECFRP的附著力和表面特性表征
總之，本文介紹了一種先進的具有超高尺寸穩定性的復合材料的制造技術，該技術采用機械強度高的多層阻隔涂層將水分和有機污染物封裝在CFRP基體內。通過在基于環氧樹脂的CFRP的高動態且非各向同性的表面上設計機械耦合的多層結構來實現，并且這種耦合使涂層具有很高的機械完整性，其中涂層的組分為單一的復合實體，即BECFRP。這種新型復合材料的性能明顯優于傳統的CFRP，從而產生了一種具有更好的尺寸穩定性和適用于太空光學應用的先進復合材料。即使在厚度＜1 μm時也能實現這種封裝，而不會影響復合材料的整體CTE。此外，機械耦合的堅固性允許沉積額外的涂層以獲得進一步的功能。這進一步證明了BECFRP在需要關鍵尺寸的高級太空應用中的適用性，也會推動其他重要的技術和行業的發展，從而有利于整個材料工程領域的發展。
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