卫星表面的金色薄膜 一种重要的军事和工业材料

刑天

   一位NASA戈达德太空中心的女工程师正在给美国“陆地卫星计划”中的一颗卫星上的红外传感器设备铺设“多层隔热材料”（MLI）。

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。）

   MLI将在太空中保护敏感的星上设备，时期免遭高速微粒、剧烈温度变化之苦。

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。

在月球表面，昼夜温差非常大。接受到阳光照射时，月球表面在白天的最高温度可达123°C。 到了晚上，在登月舱外面，月球上的温度会骤降至-233°C。这样的温度差，普通材料是难以忍受的，而且还要伴着无时不刻不在轰击着材料表面的辐射，另外还得撑过登月舱在月球发射时产生的羽流。终于，聚酰亚胺被人记起，而且一上来就在飞船上得到了大量应用。

当然，所谓“多层隔热材料”（MLI）一定不是单纯使用聚酰亚胺那么简单。MLI薄膜实际上是聚酰亚胺与铝箔的结合体。选用铝来作为聚酰亚胺的队友，其主要原因并不是铝便宜，而主要是因为铝的热学特性。铝金属对于波长从0.2微米到1.2微米的辐射都有着78%以上的反射率，表现比较稳定。（虽然在0.82微米的近紅外波段有一个反射率低谷，不过整体表现良好。）而金、银、铜对波长较短的辐射的反射率相对来说比较低。看来铝这种金属不愧为当年拿破仑最为青睐的金属啊。（在大部分贵族用银餐具吃饭的时代，唯独拿破仑钟爱铝餐具，并以此为荣，因为那个时候，铝制品的确是比银制品还稀罕的物件。）实际上，在很久以前，铝是比金子还要贵重的。1889年，创造了元素周期表（让化学课堂上的作业猛然多起来）的俄国科学家门捷列夫造访伦敦。英国皇家学会的会员们实在难以抑制他们对门捷列夫的喜爱之情，筹集了巨款，为门捷列夫打造了一只铝杯，并在他演讲之后赠给了他。

不过，多层隔热材料中，依然有着金、银、铝等多种金属选择。就看设计师倾向于选择怎样的性能指标了。

2013年12月19日发射升空的“盖亚”（Gaia）是欧空局的一颗大型太空望远镜。她任务是绘制一个包含约10亿颗恒星（或者1%的银河系恒星）在内的三维星图。在为其5年的预期寿命内，“盖亚”要对暗到20星等的天体进行观测。这些观测数据对于人类发现更多的太阳系外的行星系统并精确测定其轨道参数（预计至少会测量1 000颗行星），同时，还将用于更加深刻地理解广义相对论。在拉格朗日L2点上运行的“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。为了应对考验，聚酰亚胺又一次被拿来当做保护伞了。

“詹姆斯·韦伯”太空望远镜的银色薄膜

中国早在上世纪60年代就开启了对聚酰亚胺的系统研究，并且正在努力进入并保持先进高分子材料第一梯队的位置。中国和巴西共同研制的中巴资源卫星对地观测卫星的表面就包裹上了金光灿灿的MLI。

印度对这层薄膜的应用也不甘落后，而且还用到了遥远的地方。苏联、美国、欧空局都分别将火星探测器送上过绕火星的轨道，甚至做到了在火星表面软着陆。但是，唯独印度，至今保留着探测火星的100%的成功率：印度是第一个首次尝试就成功将探测器送上绕火星轨道的国家。火星轨道探测器于印度标准时间2013年11月5日2：38 PM（9：08 UTC）在位于斯里赫里戈达岛的萨迪什·达万航天中心一号发射台以 PSLV-XL C25 型火箭发射。2013年11月30日 19：19 UTC，火星轨道探测器发动机开动23分钟进入霍曼转移轨道，离开地球轨道而进入飞向火星的日心轨道。2014年9月24日，火星轨道探测器成功进入火星轨道。为了给探测器的热控系统尽量减轻压力，印度给火星探测器浑身上下都裹上了MLI。

日本的宇部兴产公司对聚酰亚胺的研发也较早，并且有性能不错的产品。

美国的火星勘测轨道飞行器上面也大量应用了MLI。该飞行器基本上可以被看做是一颗绕着火星飞行的侦察卫星。2015年，给冥王星拍摄了第一张高清彩色“证件照”的新视野号深刻探测器上面，也是满满一层MLI。预计明年（2018年）发射升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜（哈勃望远镜的后续计划），其主要敏感的波长集中在红外区域，因此对屏蔽红外辐射干扰的要求非常高。她采用了巨大的MLI屏蔽伞。这个大屏蔽伞由5层薄膜构成。

MLI多层隔热材料将有机高分子聚酰亚胺层与金属层结合起来，起到了抵御辐射、改善航天飞行器热环境的作用。既然是多层、多种，那就就不一定会拘泥于原有的配方了。实际上，如今金色、银色甚至是黑色的MLI都已经达到了可以实用的成熟程度了。环绕木星的朱诺探测器，看起来就是银闪闪的，而不是金灿灿的。

工业用途广泛

如今，人们对聚酰亚胺材料的研究正逐步深入，而相关的工业产品则层出不穷。在机械手的辅助下，工程师拥有了对聚酰亚胺薄膜进行精细加工的能力。因此，更多种类更多规格的聚酰亚胺产品开始层出不穷。良好的绝缘性能和耐热耐腐蚀性能使得聚酰亚胺成为高性能漆包线、绕包线的优秀材料。

另外，美国推出的超声速客机预研计划中，新型的超声速客机的飞行速度可达Ma 2.45以上。为了应对长时间高速飞行带来的高温，新型聚酰亚胺纤维将在机翼和机体结构中得到大量应用。（预计每架飞机的使用量在25吨以上。）

在日常生活中，聚酰亚胺也得到了应用。它与铝结合而成的多层隔热材料已经被制成了急救毯。这种毯子能够反射人体发出红外线，有助于在紧急情况下维持体温。2015年11月，巴黎街头，被袭击的民众披上了应急救生毯。这种毯子有了一个昵称——“太空毯”。该毯子就是对这项源自洲际弹道导弹和太空飞船的技术的一种民用化尝试。虽然民用产品通常只有80%的反射率，相对于航天器的MLI的97%的反射率来说，有些粗糙。但是相较于泰坦尼克号时代的毯子还是好用多了。

   基于MLI薄膜技术的救生毯。虽然民用产品通常只有80%的反射率，相对于航天器的MLI的97%的反射率来说，有些粗糙。但是相对于泰坦尼克号时代的毯子还是好用多了。

另外，目前市面上经常能够看到的“超细纤维毛巾”产品，其中也有采用聚酰亚胺的（通常是80%的涤纶+20%的聚酰亚胺）。

聚酰亚胺从洲际弹道导弹的延寿项目的背景中诞生，虽然错过了在弹道导弹上的大量应用的时机，但却在航天器中大放异彩。民用化之后，聚酰亚胺在漆包线、耐热电路中得到应用，后来又出现在急救毯和某些毛巾中。说了这么多，总之下次大家再看到航天飞行器外表的那层金灿灿的东西，一定已经可以说出那是聚酰亚胺多层隔热材料MLI而不是金箔了吧。

责任编辑：邢强