在人类探索太空的道路上，月球被视为一个关键的垫脚石。通过促进先进技术的发展，它可以作为未来深空任务的中转站和燃料补给中心[1]。在这方面，有几个雄心勃勃的计划正在推进，以加速月球探索并在地球的自然卫星上建立永久和可持续的人类存在。其中值得注意的有NASA的阿尔忒弥斯计划（Artemis program）和商业月球载荷服务（Commercial Lunar Payload Services, CLPS）；ESA的Terrae Novae和Lunar Pathfinder任务；以及由日本iSpace公司领导的Hakuto-R项目。这些计划共同反映了国际社会将月球转变为未来太空基础设施基石的日益增长的承诺。
月球环境极其恶劣，缺乏保护性的大气层，所有表面都直接暴露在强烈的太阳紫外线、粒子和宇宙辐射下。表面温度波动极大，白天约为+120°C，夜晚则降至约–170°C。此外，持续的微陨石撞击，加上高真空和辐射的影响，导致材料退化，如气体释放、脆化、侵蚀和静电充电等现象。
对于短期和长期机器人及载人任务来说，月球表面及其他天体（如火星）上普遍存在的微米级尘埃颗粒是一个主要问题。月球表面覆盖着几米厚的未固结的细粒土壤，通常称为风化层（regolith）。这种材料包含多种形状、大小和沉积类型[1]，主要由橄榄石、辉石和斜长石等硅酸盐矿物以及钛铁矿等非硅酸盐矿物组成[2]。风化层通过持续的陨石撞击形成，包含断裂、聚集和分散的颗粒，其中约50%的颗粒直径小于60微米[3]。最危险的部分是半径≤25微米的颗粒，这类颗粒特别丰富。这些细颗粒通过与局部等离子体环境、紫外线（UV）辐射和太阳风的相互作用而带电[4],[5]。此外，陨石撞击还会产生金属铁（Fe0），赋予尘埃部分磁性[3]。
月球尘埃的锯齿状形态加上静电充电，使其能够牢固地附着在几乎所有接触的表面上。月球上的静电条件变化很大：白天表面略微带正电（约10伏特），这是由于光电效应；而夜晚表面则带负电，由于等离子体电子相互作用可达到几千伏特[6]。因此，尘埃粘附是一个普遍存在的问题[7]。
月球尘埃的不利影响已被广泛记录[8]：着陆操作时能见度降低[9]，宇航员太空服组件（如面罩、手套和靴子）的外层磨损[11]，散热器和热控制系统退化[12]，太阳能电池板效率下降以及沉积在光学表面上[13]，仪器读数错误[14]，以及对外出活动（EVA）操作的干扰，包括太空服、气闸和工具[10]；如果意外吸入，还可能对呼吸系统造成严重伤害[15],[16]。随着对月球探索任务的兴趣增加，人们对月球尘埃及其对可持续和长期人类存在的影响的担忧也加剧了。在月球表面的长期存在将不可避免地产生并移动大量尘埃，进一步增加操作风险。
从月球探索的早期阶段开始，人们就研究了各种技术来克服或至少减轻月球尘埃造成的严重问题。这些解决方案通常分为两大类：被动和主动策略[8],[17],[18]。被动方法侧重于设计和开发具有抗粘附性的先进材料。通过定制的表面化学和形态，这些材料旨在产生对微米级风化层尘埃颗粒的化学和静电排斥力。另一方面，主动策略使用机械部件或电气设备（尤其是在月球上），能够产生静态或动态的电场和介电泳力。这些系统可以在尘埃沉积后将其清除，或者通过将颗粒偏转或导向非关键区域或远离敏感表面来防止其积累[6],[9]。多项研究表明[8]，结合这两种方法的综合解决方案可能提供最有效的保护。然而，被动方法有一个根本优势：它们不需要外部能源。
被动缓解通常通过应用具有低表面能的涂层来实现。然而，涂层引入了关键限制。首先，它们需要两步工艺：先制造基底，然后再进行表面改性，从而增加了制造成本、时间和复杂性。其次，涂层通常由具有不同热性能和机械性能的材料组成，这可能导致热膨胀系数（CTE）不匹配的问题。这些差异可能达到几个数量级（例如，从聚合物到陶瓷），在极端月球热环境下（昼夜温差可达约270°C）增加了分层和灾难性故障的风险。
为了解决这些限制，本研究专注于设计和合成一种轻质整体材料，结合了结构耐久性和针对减少与微米级风化层颗粒粘附性的定制表面性能。芳香族聚酰亚胺（PIs）被选为起始材料，因为它们在太空应用中有成熟的应用，并具有优异的性能，包括高强度重量比、热稳定性和化学稳定性、低CTE以及对银河宇宙辐射的固有屏蔽作用[19]。PIs已被用于各种航空航天应用，从航天器和卫星结构到用于月球和行星探索的组件[20],[21]。
此外，通过适当选择单体（即芳香族二胺和二酐）并在中间聚合阶段加入目标添加剂，PIs具有广泛的可调性，此时系统仍处于液态或溶解状态。如[22]中详细说明并在第2节中总结的那样，建立了一套化学标准来指导单体、溶剂和添加剂的谨慎选择。
为了赋予抗粘附性能，采用了一种创新的化学方法：将表面迁移剂（SMAs）直接掺入聚合物基质中，从而实现对最外层分子的局部改性，同时保持整体的热机械性能。
这项工作是在LUMI项目的框架下进行的，该项目是意大利航空航天研究中心（CIRA）和那不勒斯费德里科二世大学之间的合作努力，由欧洲航天局（ESA）的开放空间创新平台（OSIP）资助。OSIP是ESA促进早期技术发展和增强欧洲航天行业竞争力的更广泛战略的一部分，属于Discovery & Preparation计划。
这项研究的初步结果已在作者之前的出版物中报告[22]。那篇贡献仅限于聚合物合成的初始阶段，重点关注导致聚酰胺（PAA）前体形成的缩聚反应。
本手稿大幅扩展和深化了那项工作，通过优化的热酰亚胺化处理完成了合成过程。这一步使得PAA前体完全转化为均聚酰亚胺和共聚酰亚胺，并加入了表面迁移剂。此外，本研究提供了这些材料的全面和系统的表征，包括结构、热性能、机械性能和表面性能。这些方面在之前的出版物中并未涉及，是本工作的新颖贡献。
