《Advanced Materials Technologies》：Low-Outgassing Liquid Metal–Silicone Composites for Multifunctional Space Applications
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摘要：空间级弹性体在航天器中提供关键的密封、粘附和阻尼功能，但需要具备低放气特性，以避免污染敏感的光学和电子组件。硅酮弹性体因其环境稳定性、机械可靠性和易于加工而被广泛采用。本研究引入了一种以空间级硅酮为基体的多功能低放气液态金属弹性体复合材料（S-LMEC）
摘要：空间级弹性体在航天器中提供关键的密封、粘附和阻尼功能，但需要具备低放气特性，以避免污染敏感的光学和电子组件。硅酮弹性体因其环境稳定性、机械可靠性和易于加工而被广泛采用。本研究引入了一种以空间级硅酮为基体的多功能低放气液态金属弹性体复合材料（S-LMEC），该材料将硅酮的机械可靠性与增强的热学和电学性能相结合。分散的液态金属（LM）微滴使断裂应变提高了2.3倍，热导率提升了11倍，介电常数增加了9.6倍，同时不影响固化过程。热重分析表明，嵌入的LM不会损害聚合物基体固有的热稳定性，而主动电子测试显示，S-LMEC通过促进快速散热显著降低了稳态温度。此外，该材料可通过直写成型（DIW）3D打印制成复杂结构。S-LMEC的放气评估显示其总质量损失（TML）≤1.00%。为展示实际应用价值，将S-LMEC集成到用于软体机器人皮肤的可穿戴电容式触觉手套中。这种材料平台扩展了空间级弹性体的设计空间，推动了行星探测软体机器人和按需电子制造等领域的进步。
研究背景与科学问题
在航天器与卫星的建造中，空间级硅酮弹性体因其优异的热稳定性、光学透明性、抗紫外辐射能力及固有电绝缘性而被广泛用作垫片、密封剂和粘合剂，以抑制振动并防止关键系统的漏气或失压。然而，传统的商用弹性体如标准聚二甲基硅氧烷（PDMS）含有大量低分子量挥发性硅氧烷，这些物质在深空中会放气并冷凝至敏感的光学或电子载荷表面。尽管空间级基体经过严格精炼以满足真空稳定性标准，但现有空间级硅酮在新兴模块化空间系统中面临局限性——这类系统要求单一材料体系具备多功能行为。近年来，研究者尝试向空间级硅酮中添加碳纳米管（CNT）、石墨烯、碳纤维等刚性填料以提升导电性或导热性，但这些刚性填料在高体积分数下会破坏硅酮柔软可变形的本质。因此，亟需探索新型功能性填料，在不牺牲机械柔顺性的前提下实现空间级硅酮的多功能化。
在非空间级硅酮弹性体中，镓基液态金属（LM）作为液体填料可保持基体的柔软变形性，同时赋予高导热性、增强介电性能、自愈合、极端增韧、形状变形、可调声学性能及压力诱导导电网络形成等多种功能。然而，将LM掺入低放气空间级弹性体以制备多功能软复合材料尚未被探索。为此，研究人员开展了本项研究，旨在开发一种兼具低放气特性、优良力学性能、增强热导率和介电性能的空间级液态金属弹性体复合材料（S-LMEC），并验证其在航天环境中的潜在应用。
主要技术方法
研究人员采用共晶镓铟（EGaIn）作为液态金属，以Momentive RTV567空间级硅酮为基体，通过行星搅拌机剪切混合将LM分散为直径约25–30 μm的微滴，制备不同LM体积分数（? = 0%–60%）的S-LMEC。利用万能试验机进行单轴拉伸和循环力学测试；采用瞬态平面源法（TPS）测量热导率；使用阻抗分析仪在1 kHz、1 V偏压下测定介电常数和损耗角正切；通过Weibull分布分析介电击穿强度；借助热重分析（TGA）和微分热重（DTG）评估热稳定性；依据ASTM E595标准在NASA马歇尔太空飞行中心进行真空放气测试（100°C、<10?? Torr、24小时），计算总质量损失（TML）；采用Flory-Rehner方程通过溶胀实验计算表观交联密度；利用红外热像仪记录散热演示中的温度分布；将S-LMEC集成至可穿戴电容式触觉手套中进行物体识别验证。
研究结果
2.1 S-LMEC的力学性能
应力-应变曲线显示，随着?从0%增至40%，断裂应变从72.9%升至最大值171.6%（提高2.3倍），随后在更高?下下降，归因于高体积分数下应力集中增加和界面脱粘导致的空穴引发失效。杨氏模量随?增加而降低，符合Eshelby夹杂理论预测，表明LM微滴表现为软夹杂。循环测试（100次、50%应变）显示首次循环后滞回环迅速稳定，能量耗散从1.62 MJ/m3降至0.087 MJ/m3，峰值力漂移仅约4.8%，证明S-LMEC具有良好的机械可逆性和抗疲劳性。步进应变测试（20%–80%应变）中，弹性恢复效率保持在89%以上，表明材料在宽变形范围内表现出可预测、稳定且弹性的响应。
2.2 热导率测量
未填充RTV567硅酮的热导率为0.172 W/(m·K)。随着?增加，热导率呈指数增长，在? = 60%时达到1.9 W/(m·K)，较未填充弹性体提升11倍。实验结果与Bruggeman有效介质理论（EMT）高度吻合，证实LM微滴可显著增强传统绝热材料的导热能力，同时保持力学性能。
2.3 电学性能表征
在1 kHz频率下，相对介电常数ε_r随?增加呈指数上升，? = 60%时较未填充硅酮提高9.6倍，且介电损耗角正切始终低于0.025，表明LM增强了极化而未引入显著介电耗散。数据与Nan等人建立的EMT模型一致。然而，介电击穿强度E_b从初始约47 kV/mm急剧下降，? = 60%时降幅达99.7%，这是由于LM微滴（~25–30 μm）在薄膜中引起高内部电场集中。尽管如此，对于典型2 mm厚触觉传感器（? = 40%），其物理击穿极限约为2.2 kV，远高于低压电容传感工作电压（<5 V），确保低功率电子应用中的长期可靠性。此外，由于RTV567基体较软（杨氏模量约0.5 MPa），机械烧结无法形成导电渗流网络，未来可通过添加银片等导电填料实现电导率。
2.4 热稳定性与降解行为
归一化TGA曲线显示所有样品在300°C后出现明显失重。LM的加入未改变聚合物基体的热稳定性，5%失重温度在? = 0%、20%、40%、60%时分别为381.96°C、389.86°C、386.16°C和402.76°C。DTG曲线表明最大降解速率随?升高而降低，且S-LMEC在650–800°C间残留约20%–25%质量，暗示LM改变了热分解过程中的残余物形成机制。总体而言，LM可整合至空间级硅酮中形成高温多功能复合材料而不降低基体性能。
2.5 挥发放气特性
真空放气测试后，所有样品的TML均≤1.00%，满足NASA对空间级材料的要求。未填充硅酮TML最高（0.45%），? = 60%时最低（0.09%），归因于LM的高质量和扩散限制挥发传输。但高?下存在剥落风险，导致镓渗透铝皿并引发液态金属脆化（LME），这是航天集成的重要挑战，需通过钛替代、保护涂层或微封装策略加以缓解。
2.6 S-LMEC聚合物网络的交联密度
溶胀实验显示凝胶分数在所有?下均较高，表明体系固化良好。随?增加，凝胶分数轻微下降，可能源于溶胀过程中少量LM损失。表观交联密度随?增加而升高，部分原因可能是LM表面氧化镓层与硅酮中悬垂羟基之间的强相互作用，以及Flory-Rehner方程对含填料体系的高估效应。
2.7 散热演示
在加热枪实验中，? = 40% S-LMEC制成的NASA标志区域最高温度仅58°C，而周围未填充硅酮达75°C，温差17°C。在高功率LED散热测试中，S-LMEC基板在短时（1分钟）运行中将峰值温度从59°C降至48°C，在长时（5分钟）稳态运行时将温度从约80°C降至约55°C（降低25°C）。基于一维热传导估算，? = 40% S-LMEC的热阻较未填充硅酮降低约76%，展现出作为航天子系统被动热管理候选材料的潜力。
2.8 电容式触觉传感器的物体识别
? = 40% S-LMEC在压缩应变10%–50%下表现出特征弹性体行为，归一化电容ΔC/C?随应变同步增大，50%应变时可达约9。步进应变循环测试显示优异的实时响应性、信号稳定性和高重复性。将该传感器集成至手套食指后，成功区分了20 g泡沫块、150 g扳手和500 g金属砝码三种不同质量物体，电容变化幅度和最大值均与物体重量单调相关，验证了S-LMEC作为实时接触力和重量传感器的可行性。
2.9 航天飞行资格认证与局限性
虽然短期热稳定性、交联完整性和基础放气合规性令人鼓舞，但全面航天认证还需补充收集挥发物冷凝材料（CVCM）和水汽回吸（WVR）测试（ASTM E595），评估长期低地球轨道（LEO）辐射和原子氧暴露（ASTM E2089），以及进行–120°C至+120°C的反复热循环测试（NASA-STD-6016）。RTV567基体在–115°C至+205°C连续保持弹性，LM微滴因深度过冷可在–70°C至–85°C以下仍维持液态，即使极端低温导致部分结晶，升温至15.5°C以上即可恢复液态输运特性。微重力和长期机械疲劳对高密度LM液滴的影响仍需系统评估。
讨论与结论
本研究证明了将液态金属（LM）掺入空间级RTV567硅酮可制备出多功能、低放气的复合材料（S-LMEC），适用于潜在航天应用。S-LMEC体系提供了可调的力学性能组合（高变形性和柔性），并在热学和介电行为方面实现了增强，且得到预测模型的支持。LM夹杂物将断裂应变提升至未填充硅酮的2.3倍，同时使杨氏模量降低8%。循环测试表明材料在宽操作变形范围内表现出可预测、稳定且弹性的响应。LM微滴不改变空间级弹性体的热稳定性，对固化过程影响可忽略不计。溶胀和放气实验显示高交联度和极低的残余挥发物（TML ≤ 1%）。热导率提升11倍及高温稳定性使S-LMEC能够比未填充硅酮低25°C的温度下运行。S-LMEC的机电行为还可用于可穿戴电子设备和软体机器人传感器，并通过触觉手套在物体操控中得到实现。此外，通过传统模塑和直写成型（DIW）增材制造展示了S-LMEC的制造灵活性。低放气多功能材料如S-LMEC有望扩展当前航天用硅酮的应用范围，包括为软体机器人供电、在长期任务中按需制造电子设备以及修复电子器件和组件。
