趙春晴，劉宇明，聶翔宇，張永泰，丁義剛，沈自才

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

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環(huán)境及其效應(yīng)

星用熱縮套管力學(xué)性能鈷源輻照效應(yīng)研究

趙春晴，劉宇明，聶翔宇，張永泰，丁義剛，沈自才

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

目的 研究星用熱縮套管的力學(xué)性能（斷裂伸長率和拉伸強度）在空間輻射環(huán)境中的退化情況。方法 利用鈷源放射的γ射線模擬地球軌道粒子輻照環(huán)境，通過表面形貌分析、輻解氣體分析、X射線光電子能譜分析、紅外光譜分析等多種手段分析熱縮套管力學(xué)性能退化的原因。結(jié)果 輻照后熱縮套管顏色變深，力學(xué)參數(shù)出現(xiàn)嚴重退化現(xiàn)象。在最大輻照劑量下，材料斷裂伸長率由414.3%下降為0.06%，拉伸強度由17.43 MPa下降為2.15 MPa，熱縮套管原有力學(xué)性能幾乎完全喪失。結(jié)論 熱縮套管主鏈出現(xiàn)斷鏈現(xiàn)象，生成可揮發(fā)的CO2，CH4等氣體，從而導(dǎo)致樣品力學(xué)性能嚴重退化。

熱縮套管；力學(xué)性能；輻照；γ射線

航天器在軌期間會遭受空間帶電粒子輻照，其帶來的總劑量效應(yīng)會引起航天器表面高分子材料結(jié)構(gòu)斷裂，引發(fā)材料表面發(fā)生化學(xué)老化，使其表面脆化，產(chǎn)生微裂紋，進而導(dǎo)致其力、光、電能性能退化，影響航天器在軌的正常工作［1—8］。熱縮套管材料是廣泛應(yīng)用于航天器中的一類電絕緣材料。例如在磁力矩器引出線端使用熱縮套管，從而起到絕緣、密封、保護電線電纜的作用。熱縮套管類電絕緣材料輻射穩(wěn)定性研究在核電領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量的工作［9—13］，但在航天器抗輻射設(shè)計領(lǐng)域，該類材料的相關(guān)研究還比較少［14］。由于空間抗輻射領(lǐng)域?qū)峥s套管性能關(guān)注與核電領(lǐng)域有所不同，分析認為有必要對帶電粒子輻照環(huán)境下熱縮套管性能退化等效性進行研究，探討熱縮套管在空間輻射環(huán)境下的退化效應(yīng)。

文中利用輻射源60Co進行地面模擬試驗，研究空間輻射環(huán)境中熱縮套管力學(xué)性能退化情況，以掌握和了解其空間輻射環(huán)境耐受能力，為航天器抗輻射設(shè)計提供參考依據(jù)。

1　試驗設(shè)計

1.1試驗原理

輻射源60Co的衰變時會發(fā)射出兩組γ射線，其能量分別為1.173 MeV和1.332 MeV，平均能量為1.25 MeV。γ射線是一種短波長的電磁輻射，又稱為光子。

輻射源60Co產(chǎn)生的γ射線與物質(zhì)作用過程分為兩個部分，首先通過光電效應(yīng)、康普頓散射和產(chǎn)生電子對把能量傳遞給電子，然后產(chǎn)生的電子通過電離、激發(fā)和彈性散射等幾種形式把能量傳遞給被輻射物質(zhì)，沉積在物質(zhì)中的能量使材料或器件的性能發(fā)生退化?？臻g帶電粒子輻射環(huán)境是帶電粒子（電子和質(zhì)子）通過電離、激發(fā)和彈性散射等過程把能量直接傳遞給物質(zhì)，損失的能量在物質(zhì)中累積而產(chǎn)生總劑量效應(yīng)。兩者雖然與物質(zhì)作用的過程不同，但主要都是電離效應(yīng)使材料或器件性能產(chǎn)生退化，所以在效應(yīng)上是可以等效的，因此鈷源輻射是空間總劑量效應(yīng)地面最常用的模擬手段之一。

輻射源60Co產(chǎn)生的γ射線能量高，高能γ射線在物質(zhì)中可均勻地沉積能量，這是地面常用γ射線作為輻照源的一大優(yōu)勢。

1.2軌道環(huán)境分析

地球輻射帶基本模型為AE電子輻射帶、AP質(zhì)子輻射帶系列模型，目前工程應(yīng)用的版本為AE-8和AP-8。文中研究的航天器運行環(huán)境為GEO軌道，軌道高度為35 786 km，軌道傾角為0°，圖1給出了衛(wèi)星在軌15年的空間輻射劑量-屏蔽厚度關(guān)系，是基于實心球屏蔽模型的分析結(jié)果。

圖1　空間輻射劑量深度曲線Fig.1　Dose-depth curve of space irradiation

由計算數(shù)據(jù)外推，在沒有屏蔽的情況下，15 年GEO軌道環(huán)境下外露材料接受的總劑量為2×109rad（Si）。

1.3試驗參數(shù)設(shè)計

試驗樣品為星用透明熱縮套管，具體參數(shù)及其性能測試詳見表1。

表1　透明熱縮套管參數(shù)及測試儀器Table1　Parameters of transparent heat-shrinkable sleeve and test instruments

表1中，拉伸強度和斷裂伸長率都為高亞聚乙烯熱縮套管的力學(xué)性能參數(shù)。拉伸強度為在拉伸試驗中，試樣直至斷裂為止所受的最大拉伸力，其結(jié)果以MPa表示；斷裂伸長率是指試樣在拉斷時的位移值與原長的比值，其結(jié)果以百分比表示，它是衡量材料韌性的指標，斷裂伸長率越大韌性越好，反之材料就越脆。

鈷源輻照試驗在北京師范大學(xué)鈷源輻照系統(tǒng)中進行。該源發(fā)射的γ射線能量為1.25 MeV，劑量率范圍為0.06～120 rad（Si）/s。試驗時選擇劑量率120 rad（Si）/s，受經(jīng)費及時間限制，輻照時間選擇30天，此時總吸收劑量為3×108rad（Si），比實際空間劑量要低。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1試驗結(jié)果

鈷源輻照后樣品外觀變化及力學(xué)性能變化曲線如圖2所示。

圖2　鈷源輻照下熱縮套管力學(xué)性能退化Fig.2　Mechanical property degradation of the heat-shrinkable sleeve irradiated by γ ray

由圖2可見，γ射線輻照下，熱縮套管力學(xué)性能急劇下降，且呈現(xiàn)前期下降快、后期下降慢的特點。在最大輻照劑量下，熱縮套管的斷裂伸長率由414.3%下降為0.06%，下降幅度接近100%；拉伸強度由17.43 MPa下降為2.15 MPa，下降幅度約為88%，可見熱縮套管幾乎完全被破壞，原有力學(xué)性能完全喪失。

2.2表面形貌分析

鈷源輻照后樣品在幾個劑量點處的外觀變化如圖3所示。γ射線輻照下樣品由透明變?yōu)辄S色，呈逐漸加深的趨勢，且最大劑量點處有明顯脆化現(xiàn)象。

圖3　鈷源輻照下熱縮套管顏色變化Fig.3　Color variation of the heat-shrinkable sleeve irradiated by γ ray

熱縮套管在鈷源輻照前后的表面形貌分析圖如4所示。

圖4　熱縮套管輻照前后形貌Fig.4　Exterior appearance of heat-shrinkable sleeves before and after being irradiated

由圖4可見，樣品輻照前表面比較平滑，鈷源輻照后表面出現(xiàn)細微裂紋。分析認為γ射線對材料微觀形貌造成明顯損傷，且出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，稍受外力作用便出現(xiàn)明顯裂紋，這與前面力學(xué)性能測試結(jié)果及外觀檢測結(jié)果相符。

2.3輻解氣體分析

輻照引發(fā)聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)斷裂，進而導(dǎo)致其發(fā)生交聯(lián)或降解等系列變化。無論降解還是交聯(lián)，輻照對聚合物的初級作用都是使聚合物激發(fā)或電離，產(chǎn)生一系列短壽命的中間產(chǎn)物，如自由基、陰離子及陽離子。

判斷樣品的輻射穩(wěn)定性，主要分析其主鏈的斷裂情況。通過對熱縮套管輻解氣體產(chǎn)物的氣相色譜分析，發(fā)現(xiàn)輻解氣體產(chǎn)物以H2，CH4，CO和CO2為主，其中H2的生成量最高，另有少量的乙烷和丙烷存在。在氣體分析中，CO2是監(jiān)測重點，這是由于CO2的產(chǎn)生主要源于高亞聚乙烯長鏈的斷裂，即高亞聚乙烯的斷鍵程度可通過CO2的生成量（斷鍵數(shù)）與初始總鍵數(shù)來表征。氣相色譜分析結(jié)果如圖5所示［15］。結(jié)果表明，隨著輻照量的進一步增加，斷裂程度增加，從而對應(yīng)的樣品的力學(xué)性能（斷裂伸長率、拉伸強度）出現(xiàn)下降趨勢。

圖5　吸收劑量對材料斷鍵率的影響Fig.5　Variation of broken chemical bonds versus the absorbed dose

2.4X射線光電子能譜分析

高亞聚乙烯熱縮套管由硅烷交聯(lián)法制備，利用聚乙烯和有機硅烷發(fā)生接枝反應(yīng)得到可交聯(lián)的硅烷接枝聚乙烯，然后通過后續(xù)催化水解縮合反應(yīng)制備出熱縮套管，主要成分為C2H4，另外含有硅和氧物質(zhì)。通過X射線光電子能譜分析手段檢測到樣品的成分，見表2。

表2　高亞聚乙烯熱縮套管材料各元素含量變化Table 2　Variation of elements contents in low-density polyethylene heat-shrinkable sleeves

對于輻照前的樣品，主要以高亞聚乙烯長鏈為主，其中有Si—O鍵交聯(lián)結(jié)構(gòu)。輻照試驗后，樣品中碳的含量呈下降趨勢，而氧的含量呈上升趨勢，可以推測熱縮套管樣品發(fā)生了斷裂現(xiàn)象。有部分C分子鏈斷裂生成可揮發(fā)的C化合物，如CO2，CH4等，從而導(dǎo)致樣品的力學(xué)性能出現(xiàn)急劇下降現(xiàn)象，該結(jié)果與輻解氣體分析結(jié)果相符。

2.5紅外光譜分析

聚乙烯主要是C2H4結(jié)構(gòu)，從紅外光譜可以看出存在2916 cm-1CH2反對稱伸縮振動、2849 cm-1CH2對稱伸縮振動、1464 cm-1CH2平面變焦振動、719 cm-1碳鏈面內(nèi)搖擺振動等主要吸收峰。輻照后的熱縮套管紅外光譜與原樣相比，特征峰更強，且輻射后新增加了1712 cm-1的特征峰，推測此處的吸收峰為樣品輻射后降解氧化產(chǎn)生的羥基的吸收峰。

圖6　高亞聚乙烯熱縮套管紅外光譜Fig.6　Analysis of infrared spectrograph of low-density polyethylene heat-shrinkable sleeves

3　結(jié)論

本研究采用鈷源發(fā)射的γ射線模擬空間帶電粒子輻射環(huán)境，研究星用熱縮套管力學(xué)性能的退化情況，形成如下初步結(jié)論。

1）經(jīng)γ射線輻照后熱縮套管力學(xué)性能（斷裂伸長率和拉伸強度）呈大幅下降的趨勢，最大劑量處樣品力學(xué)性能幾乎完全喪失。

2）樣品表面出現(xiàn)顏色由透明變?yōu)辄S色并脆化的現(xiàn)象，經(jīng)微觀表面形貌分析發(fā)現(xiàn)，γ射線輻照后樣品微觀表面均出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，這為樣品出現(xiàn)脆化、力學(xué)性能下降提供佐證。通過輻解氣體分析和X射線光電子能譜分析發(fā)現(xiàn)，高亞聚乙烯主鏈出現(xiàn)斷鏈現(xiàn)象，生成可揮發(fā)的CO2，CH4等氣體，從而導(dǎo)致樣品力學(xué)性能下降或消失。通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，輻射后熱縮套管新增加了1712 cm-1的特征峰，推測此處的吸收峰為樣品輻照降解氧化產(chǎn)生的羧基的吸收峰。多種分析手段表明，樣品主鏈斷裂是其力學(xué)性能退化的原因。

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60Co Radiation Effects on the Mechanical Properties of Heat-shrinkable Sleeves for Satellites

ZHAO Chun-qing，LIU Yu-ming，NIE Xiang-yu，ZHANG Yong-tai，DING Yi-gang，SHEN Zi-cai
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

Objective To research the degradation of the mechanical properties（elongation at break and tensile strength）of heat-shrinkable sleeves for satellites in the spatial radiation environments.Methods The reason for the degradation of mechanical properties of the heat-shrinkable sleeves was analyzed in the simulated earth’s orbit particle radiation environment with γ rays radiated by60Co through various means，such as surface topography analysis，radiolysis gas analysis and infrared spectrum analysis with X-ray photoelectron spectroscopy，etc.Results The result indicated that the color of the heat-shrinkable sleeves became darker after being radiated and there was obvious degradation of the mechanical properties.The elongation at break of the materials degraded from 414.3%to 0.06%，and the tensile strength degraded from 17.43 MPa to 2.15 MPa at the maximum radiation.The original mechanical properties of the heat-shrinkable sleeves were almost completely lost.Conclusion The main chain of heat-shrinkable sleeve is broken and volatile gases CO2and CH4，etc.are generated，which causes the degradation of the mechanical properties.

heat-shrinkable sleeve；mechanical property；irradiation；γ rays

2016-03-01；Revised：2016-04-25

LIU Yu-ming(1978—),Male,from Qingdao,Shandong,Doctor,Senior engineer,Research focus:evaluation of material performance under space radiation environment.

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.029

TJ04

A

1672-9242（2016）04-0180-05

2016-03-01；

2016-04-25

趙春晴（1981—），女，江蘇徐州人，碩士，工程師，主要研究方向為空間輻射環(huán)境材料下性能評估技術(shù)。

Biography：ZHAO Chun-qing(1981—),Female,from Xuzhou,J iangsu,Master,Engineer,Research focus:evaluation of material performance under space radiation environment.

劉宇明（1978—），男，山東青島人，博士，高級工程師，主要研究方向為空間輻射環(huán)境材料下性能評估技術(shù)。