成正愛,柳 青,馮展祖,汪 晨,黃小琦,王 立

(1.錢學森空間技術實驗室,北京 100094;2.蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室,蘭州 730000;3.南京林業(yè)大學,江蘇 210037)

0 引言

空間大尺度薄膜航天器是航天技術發(fā)展的一個重要方向如圖1 所示,典型代表有超大型薄膜天線[1]、折疊式超大面積反射鏡[2]、大型薄膜太陽電池陣[3]以及太陽帆[4]、空間望遠鏡防熱屏[5]等。 采用折疊展開的大面積功能形面結構是此類航天器的基本特征。 結構多采用聚酰亞胺薄膜[6],尺寸從數(shù)米至百米不等,厚度僅幾微米,通過折疊展開的方式進行在軌部署,為滿足熱控、通信、聚光、成像與能量傳輸?shù)裙δ?結構需要通過預應力來維持形面,來保證較高的形面精度和結構基頻。

圖1 空間大尺度薄膜航天器Fig.1 Space large-scale thin film spacecraft

目前大量研究證明空間輻射環(huán)境是導致薄膜性能退化的重要因素,隨著在軌服役時間薄膜的光學、力學性能均有不同程度的下降[7-12]。 但針對預應力場與空間輻射環(huán)境共同作用下聚酰亞胺薄膜材料的性能退化規(guī)律的研究少見報道。 有學者針對帶電粒子與應力場共同作用下的聚酰亞胺性能損傷開展了研究,指出了預應力加載對帶電粒子輻照下聚酰亞胺薄膜材料的性能退化存在促進作用[13-14],有必要開展進一步研究。 同時如何通過建立耦合作用下聚酰亞胺薄膜材料性能的演化模型,定量評估功能形面薄膜結構的性能變化對功能形面薄膜結構的長壽命可靠性設計至關重要。

1 預應力作用下聚酰亞胺薄膜材料的電子輻照試驗

1.1 試驗條件

采用CASINO 軟件針對12.5 μm 薄膜結構對電子輻照地面試驗的輻照能量和條件進行了仿真計算。 圖2 為電子的入射路徑及深度,可以看出40 keV 電子入射薄膜材料后射程幾乎全部在材料厚度以內(nèi),故選擇40 eV 作為電子輻照試驗能量。 而預應力取值參考ADEOS-1 電池陣的薄膜基底的預應力1.6 MPa,為更好的研究耦合作用中預應力的作用規(guī)律,增加研究五倍作用即8 Mpa 預應力載荷,通過進行不同預應力下的電子地面輻照試驗,得到在一定能量的帶電粒子輻照與預應力共同作用下,聚酰亞胺薄膜材料樣品的力學性能退化規(guī)律。

圖2 使用CASINO 軟件計算40 keV 電子入射深度分布示意圖Fig.2 Electron incidence depth distribution by CASINO

1.2 試驗過程

試驗樣品材料為12.5 μm 聚酰亞胺薄膜,將試樣裁制成GB13022—1991《塑料薄膜拉伸性能試驗方法》標準中Ⅳ型10 mm×100 mm 長條狀試樣。 試驗采用吊裝砝碼的方式,對薄膜樣品進行預應力的加載,分別對樣品施加0,1.6 Mpa,8 Mpa 單向拉伸預應力。

利用電子槍在真空環(huán)境中對薄膜材料進行能量為40 keV 的電子輻照試驗,為體現(xiàn)同樣低能電子能量下,不同輻照注量、不同預應力下聚酰亞胺薄膜材料的性能退化過程,最高注量為1×1015cm-2,中間設2.5×1014cm-2,5×1014cm-2,7.5×1014cm-2,1×1015cm-2四個注量,共五個性能測試點,每個測試點三個樣品。

圖3 電子輻照實驗示意圖Fig.3 Electron irradiation experiment

輻照測試后對樣品進行拉伸試驗、XRD、紅外等測試,對預應力與電子輻照耦合作用下的力學性能分析其損傷機理。

2 帶電粒子輻照與預應力耦合作用下聚酰亞胺薄膜材料性能退化規(guī)律及損傷機理

2.1 帶電粒子輻照與預應力耦合作用下聚酰亞胺薄膜材料性能退化規(guī)律

將聚酰亞胺薄膜樣品在預應力載荷與電子耦合場作用后進行力學拉伸測試,將得到的抗拉強度、彈性模量、斷裂伸長率隨注量的演化曲線而變化,與單獨輻照情況下的演化曲線進行比較,如圖4、圖5 所示。

圖4 不同預應力工況下聚酰亞胺抗拉強度隨注量演化曲線對比Fig.4 Evolution of polyimide tensile strength with fluence under different prestressing

圖5 不同預應力工況下聚酰亞胺彈性模量隨注量演化曲線對比Fig.5 Evolution of polyimide elastic modulus with fluence under different prestressing

不同預應力載荷下,聚酰亞胺薄膜樣品的抗拉強度和彈性模量隨著輻照注量的增加均呈下降趨勢。 在預應力耦合作用下,隨著預應力的升高,數(shù)值上較單獨輻照的樣品均有微小的提升。 從注量1×1015cm-2下的數(shù)值來看,相比于輻照單獨作用的樣品,樣品施加8 Mpa 應力后,輻照樣品的抗拉強度由115.7 Mpa 提高了約4.5%至120.9 Mpa,彈性模量由 2 961.9 Mpa 提高 13.4% 至 3 358.8 Mpa。 上述退化規(guī)律按二次曲線進行擬合,得到彈性模量按函數(shù)y=-0.627 4x2-25.803x+3 686.4 進行退化。

耦合作用下,材料的伸長率隨著輻照注量的增加同樣呈下降趨勢如圖 6 所示。 由 1. 6 Mpa和8 Mpa 預應力下曲線對比可見,隨著預應力的增大薄膜樣品的伸長率是不斷降低的,且8 Mpa 預應力下伸長率的下降趨勢相對減緩。 即在耦合作用的影響下聚酰亞胺薄膜的韌性變得更差,材料更易變脆,從而導致伸長率的降低,但在輻照注量增大至1×1015cm-2時,在數(shù)值上沒有明顯區(qū)別。

圖6 不同預應力工況下斷裂伸長率隨注量演化曲線對比Fig.6 Evolution of elongation with fluence under different prestressing

2.2 帶電粒子輻照與預應力耦合作用下聚酰亞胺薄膜材料損傷機理

2.2.1 耦合場作用聚酰亞胺XRD 分析

針對輻照后薄膜樣品,主要研究5×1014cm-2、1×1015cm-2兩組注量下,0,1.6 Mpa,8 Mpa 三組譜圖的對比。 從圖7 中可以發(fā)現(xiàn),5×1014cm-2和1×1015cm-2輻照劑量下的聚酰亞胺薄膜都主要呈現(xiàn)出包狀衍射峰,以010 晶面為主,但峰并不是很尖銳,這說明材料內(nèi)部分子鏈以無序排列為主。 在輻照劑量為5×1014cm-2時,隨著應力的增強,衍射峰基本重合,說明此輻照劑量電子輻照和應力的耦合作用并未對樣品內(nèi)部分子鏈的排列方式造成明顯的影響。 在輻照劑量為1×1015cm-2時,隨著預應力的增強,可以發(fā)現(xiàn)010 晶面峰強有輕微的增加,代表了預應力和電子輻照共同作用下,聚酰亞胺薄膜內(nèi)部分子鏈沿著010 晶面方向的擇優(yōu)取向有一定程度的增加,但并沒有形成非常尖銳的峰,說明分子鏈取向效果有限。

圖7 聚酰亞胺在電子輻照不同應力下的XRD 譜圖Fig.7 XRD spectrum of polyimide after electron irradiation under different stress

2.2.2 耦合場作用聚酰亞胺紅外分析

針對輻照后薄膜樣品的紅外圖譜如圖8 所示可以看出,在5×1014cm-2和 1×1015cm-2電子輻射注量下, 選擇苯環(huán)的吸收峰作為標準峰, 計算1 720 cm-1處酰亞胺環(huán)上羰基的對稱伸縮振動吸收峰、1 500 cm-1酰亞胺環(huán)上C-N 鍵的伸縮振動吸收峰、1 370 cm-1醚鍵的吸收峰以及725 cm-1處的酰亞胺環(huán)的彎曲振動吸收峰,與苯環(huán)吸收峰峰值的比值,如表1 所列,當樣品加載了8 Mpa 預應力時,各特征峰峰強均有輕微的降低。

圖8 聚酰亞胺薄膜在電子輻照不同應力下的紅外譜圖Fig.8 Infrared spectrum of polyimide after electron irradiation under different stress

同時預應力給聚酰亞胺薄膜樣品帶來的影響來自于預應力帶來材料內(nèi)部分子鏈排列的改變。 受電子輻照后的聚酰亞胺樣品,內(nèi)部的C—C 鍵、C—N鍵、苯環(huán)上的C=C 等會發(fā)生斷裂產(chǎn)生自由基并發(fā)生復合反應。 因為施加預應力的作用,非擇優(yōu)取向的分子鏈減少,而擇優(yōu)取向的分子鏈會有一定的增多,結合已有研究顯示材料內(nèi)部自由體積的改變會使自由基之間的復合變得更為容易,所以施加預應力輻照樣品的自由基的含量相比于只受到輻照的樣品自由基含量略低。 從表1 可以看出,在電子輻照應力場耦合作用下聚酰亞胺樣品中各特征峰的峰強相比未加載預應力樣品的各峰峰強有微弱的降低。 這種情況是由于在預應力作用下,材料內(nèi)部自由基含量降低,材料表面的粗糙度增加,造成表面散射效應的增強,兩者的共同作用導致吸收峰的減弱。

表1 5×1014 cm-2、1×1015 cm-2 注量下各峰峰值與苯環(huán)峰值的比值Tab.1 Ratio of each peak value to the peak value of benzene ring under fluence 5×1014 cm-2、1×1015 cm-2

帶電粒子輻照會導致材料內(nèi)部基團在輻照作用下發(fā)生分子鏈斷裂,材料輻照的表面輻照區(qū)發(fā)生類石墨化轉變。 而預應力加載導致的分子鏈擇優(yōu)取向以及內(nèi)部體積改變使自由基含量降低,或是彈性模量、抗拉強度等參數(shù)對比于未施加預應力樣品有微弱上升的趨勢。

3 功能形面薄膜預應力結構性能演化評估

3.1 功能形面薄膜建模

本文選取了太空發(fā)電站太陽光收集與轉化系統(tǒng)中的電池子陣結構為功能形面的研究對象,子陣整體尺寸為26.5 m× 6 m,主要結構由桁架、柔性支撐結構以及聚酰亞胺薄膜基底三部分組成,構型如圖9 所示。

3.2 空間帶電粒子輻照對預應力功能形面性能的影響評估

將通過試驗測試得到的退化規(guī)律引入材料退化模型,對電池子陣結構的基頻、光壓力下的應力分布、型面精度的演化情況進行仿真計算。 分析過程如圖10 所示,計算開始時首先設置預應力條件,接著分析預應力作用下的結構平衡狀態(tài),分析過程中膜材料彈性模量取初始數(shù)值。 此后對材料參數(shù)進行循環(huán)迭代,每次計算開始時利用場變量對膜材料的彈性模量進行重設,以模擬膜材料在預應力與電子輻照耦合作用下的退化過程。 重設彈性模量之后進行平衡迭代分析,計算膜材料彈性模量折減后模型的固有頻率和振型,以及光壓力下的型面精度及應力分布,各分析中均考慮了結構的大變形問題。

圖10 分析流程圖Fig.10 Analysis flow chart

有限元模型的一階模態(tài)如圖11 所示,表現(xiàn)為柔性支撐結構反對稱彎曲的整體振型。 隨著膜材料彈性模量退化,結構一階固有頻率的變化曲線如圖12所示,呈緩慢降低趨勢。 當膜材料彈性模量退化時,計算得到薄膜陣面實際平均應力下降導致整體結構的固有頻率同比降低。 膜材料彈性模量退化8.8%,結構一階固有頻率下降0.08%,變化幅度較弱。

圖11 一階模態(tài)振型Fig.11 First-order mode

圖12 一階固有頻率及平均應力隨電子輻照注量退化的變化規(guī)律Fig.12 Evolution of the first-order frequency and mean stress with the degeneration of electron irradiation fluence

電池陣結構在軌服役過程中由于對日定向,電池陣面持續(xù)受到光壓力作用,故對預應力薄膜陣面施加9.12×10-6Pa 的面壓力。 預應力電池子陣模型在光壓力載荷下的應力分布如圖13 所示,除與柔性支撐邊框連接處有少量應力集中之外,薄膜的應力分布較為均勻,通過求取薄膜陣面的平均應力,來掌握薄膜結構的應力狀態(tài)隨輻照導致性能退化的變化趨勢。

圖13 電池子陣模型在光壓力載荷下的應力云圖Fig.13 Stress distribution of sub-array under light pressure

從圖13 中可以看到受光壓力載荷的薄膜結構平均應力在5 ~6 Mpa 左右,且隨著電子輻照的注量增加,薄膜材料彈性模量不斷下降,膜上的實際平均應力同比降低了8.36%。

取整個薄膜的法向位移進行了平面度計算,得到平面度變化情況。 如圖14 所示,平面度隨著薄膜材料彈性模量的下降而上升了約20%,即隨著聚酰亞胺薄膜性能的退化整體結構的平面度有升高變差的趨勢。

圖14 平面度隨電子輻照注量退化的變化規(guī)律Fig.14 Evolution of the RMS with the degenerationof electron irradiation fluence

4 結論

從實驗結論來看,材料性能退化總體趨勢不變,各項參數(shù)均隨著輻照注量增加而不斷下降。 但相比于單獨輻照作用的樣品,預應力耦合作用下樣品最終的抗拉強度提高了約 4. 5%, 彈性模量也有13.4%的上升,斷裂伸長率下降不明顯,雖影響不強,但可見抗拉能力的微弱提升以及可見的韌性下降變脆的傾向。 初步考慮是因為在預應力作用下,分子鏈的有序化導致薄膜材料化學鍵斷裂產(chǎn)生自由基的含量略微變低,進而體現(xiàn)在宏觀性能上的變化。 將耦合作用下的退化規(guī)律引入空間太陽能電站電池子陣的性能評估,通過仿真計算得到,對于預應力作用下的功能形面薄膜結構,隨著輻照劑量的增加,結構基頻變化幅度較弱,但平面度升高了20%。 形面精度的變差對本文中有較強支撐結構的太陽電池陣影響不大,但柔性較大的薄膜天線等結構的基頻變化會更加敏感,同時形面精度的退化會對天線精度造成影響,需要在長期在軌運行任務中考慮預應力及空間環(huán)境的耦合影響。