空间环境因素对弹性体微结构干黏附材料性能的影响：聚二甲基硅氧烷(PDMS)与聚氨酯(PUR)的比较研究

为解决空间自动对接和碎片捕获技术中干黏附材料在低地球轨道(LEO)环境下的性能退化问题，研究人员系统评估了聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨酯(PUR)基微结构干黏附材料(MDA)在热真空(TVAC)、紫外线(UV)和原子氧(ATOX)单一及复合作用下的黏附性能。结果表明，PDMS材料在UV和TVAC下保持中等黏附力，而ATOX导致其显著降解；PUR材料则因光氧化作用在UV下几乎完全失效。有趣的是，PDMS经UV预处理后ATOX暴露反而提升了黏附性能。该研究为空间任务中MDA的选材和防护设计提供了关键依据。

　　

在太空探索的宏大叙事中，自动对接技术和碎片捕获系统如同精巧的"太空握手"，其可靠性直接关系到国际空间站补给、月球门户建设等关键任务。然而，传统机械臂、鱼叉等对接方式存在接口限制、电力依赖等瓶颈，而受壁虎脚掌启发的微结构干黏附材料(Micropatterned Dry Adhesives, MDA)因其无需专用接口、可重复使用的特性脱颖而出。但低地球轨道(LEO)严酷的空间环境——极端温度波动、超高真空、强紫外线(UV)辐射和原子氧(ATOX)侵蚀——对这些聚合物材料构成了严峻挑战。

欧洲航天局(ESA)ESTEC设施与柏林工业大学合作开展了一项开创性研究，系统评估了两种主流MDA材料——聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨酯(PUR)在模拟500公里太阳同步轨道环境下的表现。研究团队通过热真空循环(10次-50°C至100°C)、紫外线照射(1276等效太阳小时)和原子氧暴露(1.2×10²⁰ atoms/cm²)等严格测试，揭示了材料降解的分子机制及其对黏附力的影响。这项发表在《Polymer Testing》的研究不仅为空间任务材料选择提供了科学依据，更发现了UV与ATOX相互作用的意外效应。

关键技术方法包括：1) 通过模塑法制备400μm和50μm两种微结构的PDMS(Sylgard? 184)与PUR(ClearFlex?)样品；2) 在ESA ESTEC设施进行加速空间环境模拟实验；3) 使用定制测试台量化材料与玻璃表面的接触力；4) 扫描电镜(SEM)分析表面形貌变化；5) 依据ECSS-Q-ST-70-02C标准进行出气筛选测试。

研究结果部分：

1. 材料特性比较：PUR样品展现出比PDMS高85%的初始黏附力(34.64N vs 10.89N)，得益于其更高的表面能(38-43 mN/m vs 16-21.5 mN/m)和机械性能。50μm微结构通过接触分裂效应表现出优于400μm结构的黏附性能。

2. 真空与温度影响：PDMS在TVAC下保持83.9%黏附力，印证其宽泛的玻璃化转变温度(T_g<-100°C)优势；PUR样品则因T_g接近环境温度而损失61.7%性能，需温控系统维持稳定。

3. 紫外线辐射效应：UV导致PDMS样品黄化和Si-O键断裂，400μm结构保留78.8%黏附力，而50μm结构仅存31.8%。PUR则因CH₂基团光氧化近乎完全失效(<1%)，SEM显示表面出现陨石坑状蚀刻。

4. 原子氧暴露：ATOX在PDMS表面生成10-160nm厚的SiO_X硬质层，400μm结构黏附力降至37.2%，裂纹分析显示应力集中是主因。PUR的侵蚀率达1.58×10^-23 cm³/atom，黏附保留15.8%。

5. 复合暴露的协同效应：PDMS经UV+ATOX处理后黏附力反常提升至92.4%，推测UV产生的短链物种被ATOX"清洗"后暴露出新鲜PDMS表面。这种效应在50μm结构中因更高ATOX通量(2.1×10²⁰ atoms/cm²)而消失。

结论与讨论指出：PDMS基400μm MDA展现出最佳综合性能，在复合空间环境下仍保持60%黏附力，是有限防护LEO任务的首选；PUR基材料虽初始性能优异，但需严格UV屏蔽且存在储存老化问题(10个月黏附下降35%)。研究首次揭示了UV预处理可降低PDMS的ATOX侵蚀率约50%，这一发现挑战了传统单一因素评估方法，强调实际空间环境中多因素协同作用的重要性。

该研究为未来空间站扩展、在轨服务等任务提供了材料选择标准：对于长期暴露任务，应优先选用PDMS基大尺寸微结构(400μm)并优化防护设计；短期高负荷任务可考虑PUR方案，但需配合UV屏蔽和湿度控制。作者建议开展在轨验证实验，以确认地面加速试验与真实空间环境的等效性，这将是空间材料科学迈向精准预测的关键一步。