劉艷麗，井元良，石海平，劉奕宏

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

塑料因其性能多樣、成本低、易加工的特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，而導(dǎo)電塑料的發(fā)明使得塑料從絕緣體跨入導(dǎo)體和半導(dǎo)體的行列，衍生出塑料薄膜屏蔽層、塑料芯片、塑料太陽(yáng)電池、塑料蓄電池等產(chǎn)品。這些高性能、低成本產(chǎn)品的出現(xiàn)為航天產(chǎn)品的輕小型化開辟出新的發(fā)展方向。

本文在簡(jiǎn)述導(dǎo)電塑料的概念和原理的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)電塑料的衍生產(chǎn)品在航天領(lǐng)域的未來應(yīng)用進(jìn)行探討，提出我國(guó)航天器塑料化的發(fā)展建議。

1 導(dǎo)電塑料的原理

2000年12月12日，瑞典皇家科學(xué)院把諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給日本筑波大學(xué)名譽(yù)教授白川英樹和他的2 個(gè)歐美同行，理由是“發(fā)明并研制出了導(dǎo)電塑料”。歷來被視為絕緣體的塑料，因這一發(fā)明 而具有了絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體3 種特性。

導(dǎo)電塑料是利用塑料基體與導(dǎo)電填料組成海島結(jié)構(gòu)復(fù)合體系，依靠量子力學(xué)隧道效應(yīng)使得電子具有在粒子間的躍遷能力，再通過塑料的加工方式加工成型的功能型高分子材料。導(dǎo)電塑料在不改變?cè)兴芰喜牧系囊恍┗拘阅艿耐瑫r(shí)，用導(dǎo)電材料的分子搭起一座可以供電子通過的“橋梁”，使得塑料具有導(dǎo)電性，且可通過調(diào)整導(dǎo)電材料的比例改變塑料的導(dǎo)電率，成為同時(shí)具備絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體3 種狀態(tài)的新型材料[1]。

導(dǎo)電塑料中的導(dǎo)電填料一般選用金屬纖維、導(dǎo)電碳纖維、碳納米管、導(dǎo)電石墨、金屬合金填料等，常用的塑料基體包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、乙烯共聚物、尼龍和高性能熱塑性塑料合金等。

復(fù)合型導(dǎo)電塑料的電阻率隨導(dǎo)電填料體積分?jǐn)?shù)的變化是不連續(xù)的，如圖1所示：在材料制備的特定溫度下，導(dǎo)電填料體積分?jǐn)?shù)增加到特定值時(shí)，材料的電阻率會(huì)發(fā)生突變，表明此時(shí)導(dǎo)電粒子在聚合物基體中的分散狀態(tài)發(fā)生了突變，即導(dǎo)電粒子在聚合物中形成了滲濾網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電填料的這一臨界體積分?jǐn)?shù)稱為滲濾閾值。另外，在某些復(fù)合型導(dǎo)電塑料中，量子力學(xué)隧道效應(yīng)對(duì)材料的導(dǎo)電行為影響較大。大部分導(dǎo)電塑料的導(dǎo)電性能是靠導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，即電子在粒子間的躍遷造成的，而不是靠導(dǎo)電粒子直接接觸。復(fù)合型導(dǎo)電塑料的等效電路模型如圖2所示[2]。

圖1 導(dǎo)電填料體積分?jǐn)?shù)與導(dǎo)電塑料電阻率的關(guān)系示意Fig.1 The relation between the resistivity and the filling proportion

圖2 導(dǎo)電塑料的等效電路模型Fig.2 Circuit model of the conductive plastics

2 導(dǎo)電塑料在航天領(lǐng)域的可能應(yīng)用

2.1 導(dǎo)電塑料替代金屬屏蔽材料

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，更多先進(jìn)的高集成度電氣和電子設(shè)備將應(yīng)用于航天領(lǐng)域的各個(gè)方面。與地面電子設(shè)備（例如移動(dòng)電話、平板電腦和家用電器）的發(fā)展道路相類似，系統(tǒng)的集成度發(fā)展到一定階段，系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)間的電磁兼容性問題將從次要矛盾逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕?。為解決電磁波輻射泄漏和干擾問題，須采用電磁屏蔽材料進(jìn)行屏蔽。目前航天器的屏蔽手段主要是應(yīng)用金屬及其復(fù)合物作為屏蔽材料，例如航天器屏蔽電纜屏蔽層的材料為銅鍍銀，電子設(shè)備的電磁屏蔽外殼采用鋁合金。這些材料雖然具有很好的屏蔽效能，但存在物理彈性有限、質(zhì)量大、加工難度大、價(jià)格高、屏蔽 效能不可調(diào)等缺點(diǎn)。在航天器材料選取過程中，質(zhì)量大小往往成為首先需要考量的因素。例如，屏蔽電纜的單位長(zhǎng)度質(zhì)量是非屏蔽電纜的3～4 倍，使得航天器設(shè)計(jì)中往往限制屏蔽電纜的使用，從而為航天器的電磁兼容性埋下隱患。而導(dǎo)電塑料具有良好的電磁屏蔽性能，且具有密度小、韌性好、成本低、易于加工、屏蔽性能可調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，是金屬屏蔽材料的潛在替代品。

電磁屏蔽即控制電磁波從某一區(qū)域向另一區(qū)域的輻射傳播。電磁屏蔽通常采用低電阻的導(dǎo)體材料，其對(duì)電磁能流具有反射和引導(dǎo)作用，在內(nèi)部產(chǎn)生與源電磁場(chǎng)相反的電流和磁極化場(chǎng)，從而減弱源電磁場(chǎng)的輻射效果。如圖3所示，當(dāng)電磁波遇到屏蔽材料時(shí)，將產(chǎn)生反射、吸收和透射。

圖3 電磁屏蔽原理示意Fig.3 The schematic diagram of electromagnetic shielding

可用屏蔽能效SE（dB）來表征屏蔽材料對(duì)電磁波噪聲的衰減程度[3]，其定義為屏蔽前與屏蔽后的電磁波噪聲信號(hào)功率之比，用公式表示為

式中：F為屏蔽前噪聲信號(hào)的功率，W；F′為屏蔽后噪聲信號(hào)的功率，W。

工程應(yīng)用中，通常按照Schelkunoff 電磁屏蔽理論，將屏蔽材料的屏蔽能效按

計(jì)算。式中：R為電磁波的反射損耗，dB；A為電磁波的吸收損耗，dB；B為電磁波在屏蔽材料內(nèi)的傳輸損耗，dB。當(dāng)吸收損耗大于10 dB 時(shí)，則傳輸損耗可忽略不計(jì)，此時(shí)式(2)可簡(jiǎn)寫為[3]

式中：f為電磁波的頻率，Hz；μ為屏蔽材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，H/m；σ為屏蔽材料的相對(duì)電導(dǎo)率，S/m；t為屏蔽材料厚度，m。

由式(3)可知，在電磁波頻率一定的情況下，屏蔽材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率是影響其屏蔽能效的主要因素。對(duì)于電導(dǎo)率高的材料，如電纜網(wǎng)的屏蔽材料為銅鍍銀，則反射是屏蔽的主要作用；而對(duì)于磁導(dǎo)率較高的材料，例如填充不銹鋼纖維的導(dǎo)電塑料，吸收是屏蔽的主要作用。

按屏蔽能效值的大小可將電磁屏蔽材料分為以下幾類：SE=0～10 dB，無電磁屏蔽作用的材料；SE=10～30 dB，低電磁屏蔽材料；SE=30～60 dB，中電磁屏蔽材料；SE=60～90 dB，高電磁屏蔽材料；SE=90 dB 以上，具有最佳電磁屏蔽作用的材料。一般認(rèn)為，常規(guī)電子器材電磁屏蔽的材料，當(dāng)電磁波頻率在30～1000 MHz 范圍內(nèi)，其屏蔽能效達(dá)到35 dB 即具有有效屏蔽作用。航天用屏蔽電纜網(wǎng)的屏蔽能效一般在70 dB 以上。表1和表2為一些導(dǎo)電塑料的電磁屏蔽性能和力學(xué)特性[4-7]。

表1 不同導(dǎo)電塑料的電磁屏蔽性能Table 1 The electromagnetic shield of different conductive plastics

表2 導(dǎo)電塑料的力學(xué)特性Table 2 The mechanical properties of conductive plastics

根據(jù)表1和表2可知，目前，導(dǎo)電塑料的屏蔽能效已經(jīng)同金屬屏蔽材料相差無幾，并且導(dǎo)電填料的添加對(duì)塑料本身的力學(xué)性能影響很小，因此導(dǎo)電塑料可作為航天器部分金屬材料的替代品。表3列舉了導(dǎo)電塑料的電磁屏蔽功能在航天領(lǐng)域的部分可能應(yīng)用，并分析了各種應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)及進(jìn)一步研究的方向。

綜合分析的結(jié)果認(rèn)為，用導(dǎo)電塑料替代屏蔽電纜的金屬屏蔽層是目前最可行的應(yīng)用之一。以某衛(wèi)星為例，屏蔽導(dǎo)線約占整星電纜網(wǎng)總重的30%，若用密度為1.3 g/cm3的導(dǎo)電塑料代替目前的銅鍍銀金屬屏蔽層，可使屏蔽電纜減重34%，減重效果明顯。在替代設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)方面，國(guó)際上已有先例。例如意大利研制的大氣監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（URSA MAIOR立方體衛(wèi)星）的部分設(shè)備已經(jīng)采用ABS 塑料外殼（見圖 4），并且通過了相應(yīng)的環(huán)境測(cè)試[8]；Interpoint 公司的二次電源模塊外殼已經(jīng)由高分子材料替代原有的金屬外殼。雖然高分子聚合物不具備抗輻照性能，但仍可應(yīng)用于那些安裝在航天器內(nèi)部、對(duì)抗輻照性能要求較低的設(shè)備。

表3 導(dǎo)電塑料的電磁屏蔽功能在航天領(lǐng)域的可能應(yīng)用Table 3 Possible aerospace applications of conductive plastics

圖4 URSA MAIOR 立方體衛(wèi)星內(nèi)部產(chǎn)品的塑料結(jié)構(gòu)Fig.4 The plastic structure of the URSA MAIOR cube satellite

2.2 塑料太陽(yáng)電池

塑料太陽(yáng)電池是針對(duì)導(dǎo)電塑料具有的半導(dǎo)體特性衍生出來的產(chǎn)品，其工作原理和硅太陽(yáng)電池相同，即利用半導(dǎo)體p-n 結(jié)的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，具有塑料本身的高柔性、低成本（每瓦發(fā)電成本是多晶硅電池的1/10）等特性。半導(dǎo)體塑料的材料一般有聚苯乙烯（PPV）及其衍生物、聚噻吩（PTH）及其衍生物和聚乙烯基咔哩（PVK）等。在制備過程中，半導(dǎo)體塑料以溶液的形式進(jìn)行印制，和其他基層材料及金屬氧化物一起分層涂覆在絕緣塑料薄膜上，因此，太陽(yáng)能塑料電池的生產(chǎn)過程極為簡(jiǎn)單，并且生產(chǎn)出的塑料電池可以自由彎曲折疊。但在印制過程中，如何保證每一層電池印制時(shí)不污染到其下層材料十分困難，使得塑料太陽(yáng)電池從單層結(jié)構(gòu)向多層結(jié)構(gòu)發(fā)展的道路極為緩慢，阻礙了其轉(zhuǎn)換效率的提高。

ESA 和NASA 均針對(duì)塑料太陽(yáng)電池在航天領(lǐng)域的應(yīng)用開展了研究。圖5所示為ESA 研制的超輕太陽(yáng)電池陣[9]，其輸出功率為12.5 kW，總質(zhì)量為10 kg（含結(jié)構(gòu)），展開面積為40 m2。塑料太陽(yáng)電池可制備成超薄柔性太陽(yáng)電池陣，這使得面積很大的太陽(yáng)電池陣在壓縮狀態(tài)下占用的航天器體積資源變得很小，可進(jìn)一步降低航天器的發(fā)射成本，基于目前的運(yùn)載能力，可滿足MW 級(jí)航天器的功率需求。表4給出了塑料太陽(yáng)電池與傳統(tǒng)太陽(yáng)電池的性能對(duì)比[10]。

圖5 由ESA 研制的超輕塑料太陽(yáng)電池陣Fig.5 Development of ultra-light plastic solar array by ESA

表4 塑料太陽(yáng)電池與傳統(tǒng)太陽(yáng)電池性能對(duì)比Table 4 The difference between plastic solar cell and traditional solar cell

2.3 塑料鋰離子蓄電池

在手機(jī)、筆記本電腦越來越追求輕薄小巧的趨勢(shì)下，傳統(tǒng)的蓄電池已經(jīng)無法滿足要求，塑料電池 應(yīng)運(yùn)而生。由高分子聚合物代替電池中的電極和電解液，形成被稱為第四代蓄電池的聚合物鋰離子蓄電池。這種新型電池的優(yōu)勢(shì)在于體積小、重量輕、厚度薄，形狀設(shè)計(jì)靈活多變，具有較高的安全性能。聚合物鋰離子蓄電池的電解質(zhì)是以固態(tài)或凝膠態(tài)存在的，內(nèi)部不存在液態(tài)電解液。在某種原因?qū)е聹囟冗^高的情況下，聚合物電解質(zhì)和電極材料發(fā)生反應(yīng)，每克電解質(zhì)釋放出的熱量為30 J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液態(tài)電解質(zhì)150 J 的釋放熱量，不會(huì)使電池溫度升高到正極材料的燃點(diǎn)溫度，因此聚合物鋰離子蓄電池的安全性能相對(duì)于普通鋰離子蓄電池有很大的提高。另外固態(tài)或凝膠態(tài)電解質(zhì)不存在泄漏問題，可用鋁塑復(fù)合薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不銹鋼材料作為蓄電池的外殼[11-12]，這將進(jìn)一步減小蓄電池的質(zhì)量。表5給出了不同種類蓄電池的性能對(duì)比。

表5 不同種類蓄電池的性能對(duì)比Table 5 The performance of different batteries

3 航天器塑料化的發(fā)展建議

隨著科學(xué)技術(shù)尤其是材料科學(xué)的迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品的塑料化已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)，航天產(chǎn)品 也必然會(huì)朝著同一個(gè)方向發(fā)展。表6給出了國(guó)內(nèi)航天器塑料化的發(fā)展建議，并從不同發(fā)展階段塑料化產(chǎn)品的用途、優(yōu)缺點(diǎn)及可行性等方面進(jìn)行了說明。

表6 國(guó)內(nèi)航天器塑料化發(fā)展建議Table 6 The development layout of conductive plastics for aerospace applications

4 結(jié)束語(yǔ)

塑料化將使得航天器變得更加輕小、更容易加工、制造和發(fā)射成本更低并且可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)。針對(duì)國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀，建議從電纜網(wǎng)屏蔽層、小型設(shè)備的防靜電外殼作為切入點(diǎn)，進(jìn)行導(dǎo)電塑料在航天器上的初步應(yīng)用，并開展塑料太陽(yáng)電池和塑料鋰離子蓄電池等新型產(chǎn)品的研究，為航天器的塑料化打基礎(chǔ)。

1）電磁屏蔽材料是導(dǎo)電塑料在地面最成熟也是最廣泛的應(yīng)用，塑料電磁屏蔽層可替代航天器電纜網(wǎng)的金屬屏蔽層甚至設(shè)備的金屬外殼。其除了具有在重量、成本以及可塑性方面的優(yōu)勢(shì)外，更重要的是其電磁屏蔽性能可調(diào)節(jié)，這將會(huì)讓航天器的電磁兼容性設(shè)計(jì)從粗放型管理轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)化設(shè)計(jì)。

2）塑料太陽(yáng)電池在柔性、重量和成本方面相比傳統(tǒng)太陽(yáng)電池有著巨大的優(yōu)勢(shì)。由塑料太陽(yáng)電池制備的超薄柔性太陽(yáng)電池陣，基于目前的運(yùn)載能力已可滿足MW 級(jí)航天器的功率需求。提高塑料電池的光電轉(zhuǎn)換效率是進(jìn)一步研究的主要方向。

3）塑料鋰離子蓄電池作為基于導(dǎo)電塑料電解質(zhì)的蓄電池，除具有安全性、比能量方面的優(yōu)勢(shì)外，其外形可靈活設(shè)計(jì)的特點(diǎn)對(duì)航天器的微小型化和進(jìn)一步集成將起到促進(jìn)作用。

（References）

[1]陳立軍, 方宏鋒, 張欣宇, 等.碳系填充型導(dǎo)電塑料的研究進(jìn)展[J].合成樹脂及塑料, 2007, 24(2)∶78-51 Chen Lijun, Fang Hongfeng, Zhang Xinyu, et al.Progress in research of carbon-filled conductive plastics[J].China Synthetic Resin and Plastics, 2007, 24(2)∶78-51

[2]王光華, 董發(fā)勤, 司瓊.電磁屏蔽導(dǎo)電復(fù)合塑料的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào), 2007, 21(2)∶22-25 Wang Guanghua, Dong Faqin, Si Qiong.The present research state of electromagnetic shielding and conductive composite plastic[J].Materials Review, 2007, 21(2)∶22-25

[3]楊永芳, 劉敏江.導(dǎo)電高分子材料研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用, 2002, 30(7)∶57-59 Yang Yongfang, Liu Minjiang.Advance in the research of conducting polymer[J].Engineering Plastics Application, 2002, 30(7)∶57-59

[4]Yang S Y, Chen C Y, Pang S H.Effects of conductive fibers and processing conditions on the electromagnetic shielding effectiveness of injection molded composites[J].Polymer Composites, 2002, 23(6)∶1003-1013

[5]杜仕國(guó), 李文釗.聚合物基電磁屏蔽復(fù)合材料[J].磁性材料及器件, 2000, 31(5)∶40-44 Du Shiguo, Li Wenzhao.Polymer composites for shielding EMI[J].Journal of Magnetic Materials and Devices, 2000, 31(5)∶40-44

[6]Fox R T, Wani V.Conductive polymer composite materials and their utility in electromagnetic shielding applications[J].Applied Polymer Science, 2008, 107∶2558-2566

[7]Chung D D L.Electromagnetic interference shielding effectiveness of carbon materials[J].Carbon, 2001, 39(2)∶27

[8]Santoni F, Piergentili F, Donati S, et al.Design and realization on an innovative deployable solar panel system for Cubesats[C]//63rdInternational Astronautical Congress, 2012-10∶412-418

[9]Reed K, Willenberg H J.Early commercial demonstration of space solar power using ultra- lightweight arrays[J].Acta Astronautica, 2009, 65∶1250-1260

[10]Piszczor M, O’Neill M Jr, Eskenazi M, et al.The stretched lens array square-rigger (SLASR) for space power[C]//4thInternational Energy Conversion Engineering Conference (IECEC), 2006-06∶30-35

[11]陳猛, 史鵬飛, 程新群.塑料鋰離子電池研究概況[J].電池, 2000, 30(3)∶129-132 Chen Meng, Shi Pengfei, Cheng Xinqun.Review of plasticizing lithium-ion battery[J].Battery Bimonthly, 2000, 30(3)∶129-132

[12]Zhang S S.A review on the separators of liquid electrolyte Li-ion battery[J].J Power Sources, 2007, 164(1)∶87-92