沈自才，牟永強(qiáng)，白　羽，丁義剛，劉業(yè)楠，王志浩

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京　100094）

紫外輻射環(huán)境下均苯型聚酰亞胺薄膜力學(xué)性能研究

沈自才，牟永強(qiáng)，白羽，丁義剛，劉業(yè)楠，王志浩

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

聚酰亞胺（PI）薄膜廣泛用于航天器熱控多層和大型展開結(jié)構(gòu)中，但在空間紫外輻射環(huán)境下，其力學(xué)性能會發(fā)生退化。在近紫外和遠(yuǎn)紫外輻射環(huán)境下，對均苯型PI薄膜力學(xué)性能退化規(guī)律及退化機(jī)理進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：在輻照初期，近紫外輻射和遠(yuǎn)紫外輻射均可造成均苯型PI薄膜抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率下降，但遠(yuǎn)紫外輻射下降更加明顯；隨著曝輻量的增加，PI薄膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率均呈指數(shù)規(guī)律增長，而后趨于穩(wěn)定，近紫外輻照后薄膜材料的力學(xué)性能優(yōu)于遠(yuǎn)紫外輻照后薄膜材料的力學(xué)性能；斷裂和交聯(lián)是造成薄膜材料力學(xué)性能退化的主要原因，在紫外輻照初期以斷裂為主，隨著曝輻量的增加，以交聯(lián)為主。

聚酰亞胺；力學(xué)性能；近紫外；遠(yuǎn)紫外

0　引言

薄膜材料廣泛應(yīng)用于航天器熱控結(jié)構(gòu)及太陽帆等充氣展開結(jié)構(gòu)中。由于長期暴露在航天器表面，受到各種空間環(huán)境效應(yīng)的影響，其力學(xué)性能可能會發(fā)生退化。

國外對航天用薄膜材料的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。Joyce等［1］對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡絕緣層表面的Teflon FEP二次表面鏡薄膜研究發(fā)現(xiàn)，隨著輻照時(shí)間的增加，薄膜的機(jī)械性能發(fā)生了退化。Stuckey等［2］對充氣展開結(jié)構(gòu)的候選薄膜材料模擬空間環(huán)境進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)并對其力學(xué)性能退化進(jìn)行了評價(jià)。James等［3］也對不同輻射環(huán)境下薄膜的力學(xué)性能退化及微觀機(jī)理進(jìn)行了研究［4-6］。

與國外相比，國內(nèi)對空間輻射環(huán)境下薄膜材料的力學(xué)性能研究還比較少，張帆等［8］、黃小琦等［9］對空間電子、質(zhì)子等輻射環(huán)境下薄膜材料力學(xué)性能進(jìn)行了初步研究。

文章主要對空間近紫外（NUV）和遠(yuǎn)紫外（FUV）輻射環(huán)境下航天器用均苯型聚酰亞胺（PI）薄膜材料（Kapton）的力學(xué)性能的退化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對不同紫外環(huán)境下的力學(xué)性能退化進(jìn)行對比，對其力學(xué)性能退化機(jī)理進(jìn)行了初步分析。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1樣品制備

根據(jù)國標(biāo)GB13022-91《塑料薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法》，使用專用裁刀將厚度25 μm的薄膜裁制成寬15 mm，長150 mm的長條型樣品。用照明放大鏡檢查，舍去邊緣有缺陷的試樣。

1.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)

輻照試驗(yàn)在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所Φ800空間綜合輻照試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。近紫外選用汞氙燈作為輻照源，加速因子為4；遠(yuǎn)紫外選用氘燈作為輻照源，加速因子為10；樣品溫度為25℃，真空度優(yōu)于1×10-3Pa；近紫外曝輻量分別為0 ESH、100 ESH、200 ESH、300 ESH、500 ESH和1 000 ESH；遠(yuǎn)紫外曝輻量分別為0 ESH、300 ESH、500 ESH、800 ESH和1 600 ESH。

1.3拉伸參數(shù)

輻照試驗(yàn)完成后，立即取出樣品，用電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，保持薄膜樣品的平面與上下夾具的平面平行。拉伸試驗(yàn)參數(shù)如表1所列。

表1　拉伸試驗(yàn)參數(shù)

2　結(jié)果分析

2.1近紫外輻射環(huán)境對PI薄膜力學(xué)性能的影響

在不同近紫外曝輻量下，PI薄膜材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖1、圖2所示。由圖可知，隨著近紫外曝輻量的增加，PI薄膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率先減小再增大。

圖1　PI薄膜抗拉強(qiáng)度隨近紫外曝輻量的變化關(guān)系圖

圖2　PI薄膜斷裂伸長率隨近紫外曝輻量的變化關(guān)系圖

對近紫外曝輻量下PI薄膜的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合分析，如圖3所示。由圖可知，在300 ESH近紫外曝輻之后，薄膜的抗拉強(qiáng)度隨近紫外曝輻量的增加而呈指數(shù)增加：y=199.209-55.264exp（-x/572.677）（x＞300），y為抗拉強(qiáng)度，MPa；x為近紫外曝輻量，等效太陽小時(shí)（ESH）。

圖3　近紫外曝輻下PI薄膜抗拉強(qiáng)度擬合圖

對近紫外曝輻量下PI薄膜的斷裂伸長率進(jìn)行擬合分析，如圖4所示。

圖4　近紫外曝輻下PI薄膜斷裂伸長率擬合圖

由圖4可知，在300 ESH近紫外曝輻之后，PI薄膜的斷裂伸長率隨近紫外曝輻量的增加而呈指數(shù)增加：y=64.962-40.392exp（-x/372.744）（x＞300），y為斷裂伸長率，%；x為近紫外曝輻量，ESH。

2.2遠(yuǎn)紫外輻射環(huán)境對PI薄膜力學(xué)性能的影響

PI薄膜材料的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率隨遠(yuǎn)紫外曝輻量的變化如圖5、圖6。

圖5　PI薄膜抗拉強(qiáng)度隨遠(yuǎn)紫外曝輻量的變化關(guān)系圖

圖6　PI薄膜斷裂伸長率隨遠(yuǎn)紫外曝輻量的變化關(guān)系圖

由圖5、圖6分析可知，隨著遠(yuǎn)紫外曝輻量的增加，PI薄膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率先減小再增大。

對遠(yuǎn)紫外輻照環(huán)境下PI薄膜的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合分析，如圖7所示。

圖7　遠(yuǎn)紫外曝輻下PI薄膜抗拉強(qiáng)度擬合圖

由圖7可知，在300 ESH遠(yuǎn)紫外曝輻之后，薄膜的抗拉強(qiáng)度隨遠(yuǎn)紫外曝輻量的增加而呈指數(shù)增加：y=177.481-17.01exp（-x/1 445.788）（x＞300），y為抗拉強(qiáng)度，MPa；x為遠(yuǎn)紫外曝輻量，ESH。

對遠(yuǎn)紫外曝輻量下Kapton薄膜的斷裂伸長率進(jìn)行擬合分析，如圖8所示。

圖8　遠(yuǎn)紫外曝輻下Kapton薄膜斷裂伸長率擬合圖

由圖8可知，在300 ESH遠(yuǎn)紫外曝輻之后，薄膜的斷裂伸長率隨遠(yuǎn)紫外曝輻量的增加而呈指數(shù)增加：y=51.053-15.259exp（-x/630.543）（x＞300），y為斷裂伸長率，%；x為遠(yuǎn)紫外曝輻量，ESH。

2.3比較分析

對近紫外和遠(yuǎn)紫外兩種輻照環(huán)境，PI薄膜材料原樣、曝輻量為300 ESH以及長期輻照三種狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率進(jìn)行比較，如圖9和圖10所示。

由圖9和圖10分析可知，在300 ESH的曝輻量下，遠(yuǎn)紫外輻照PI薄膜的力學(xué)性能退化較近紫外大；在受到足夠的近紫外輻照下，PI薄膜的力學(xué)性能較未輻照狀態(tài)均有一定程度的提高，但遠(yuǎn)紫外輻照后的PI薄膜力學(xué)性能比未輻照狀態(tài)下PI薄膜的力學(xué)性能差。

圖9　不同輻照狀態(tài)下PI薄膜的抗拉強(qiáng)度對比圖

圖10　不同輻照狀態(tài)下PI薄膜的斷裂伸長率對比圖

3　理論研究

空間紫外輻射對有機(jī)高分子材料的作用主要是高能光子作用于高分子化學(xué)價(jià)鍵，引起化學(xué)鍵的斷裂、交聯(lián)，表現(xiàn)為高分子材料的脆化、固化等［11］。

表2　紫外光子能量

由圖11可知，在均苯型聚酰亞胺中，分子價(jià)鍵主要包括C-O、C=O、C-H、C-N、苯環(huán)。其中，苯環(huán)是由6個(gè)sp2雜化碳原子通過σ鍵和π鍵構(gòu)成的平面正六邊形的碳環(huán)，其鍵能在2 076～2 868 kJ/mol之間，需要21.55～29.78 eV的光子才能將苯環(huán)破壞。PI薄膜中的分子鍵的鍵能如表3所列。

表3　常見化學(xué)鍵結(jié)合能

由于汞氙燈模擬源的光譜范圍為200～400 nm，對應(yīng)的光子能量為3.1～6.2 eV，可以破壞除苯環(huán)和C=O鍵之外的其他價(jià)鍵。而氘燈模擬源的光譜范圍為115～200 nm，對應(yīng)的光子能量為6.2～10.8 eV，可以破壞除苯環(huán)之外的所有其他價(jià)鍵。此外，由于遠(yuǎn)紫外光子能量較高，更容易將聚酰亞胺中的分子化學(xué)鍵打斷。

下面將對PI薄膜的力學(xué)性能在近紫外和遠(yuǎn)紫外輻照下先下降而后緩慢上升的原因進(jìn)行分析。在近紫外輻照初期，紫外光子作用于環(huán)1和環(huán)2之間的C-N鍵，以及環(huán)2和環(huán)3之間的C-O鍵，造成化學(xué)鍵的斷裂，雖然同時(shí)也有交聯(lián)發(fā)生，但該階段主要以斷裂為主，而隨著曝輻量的增加，不同的苯環(huán)之間發(fā)生了交聯(lián)，形成了苯環(huán)直接相連的結(jié)構(gòu)，從而引起其力學(xué)性能的升高；在遠(yuǎn)紫外輻照初期，除了發(fā)生近紫外輻照相同的效應(yīng)之外，由于遠(yuǎn)紫外光子能量較高，也將造成C=O鍵的斷裂。這也是在輻照初期，相較于近紫外，遠(yuǎn)紫外輻照對聚酰亞胺力學(xué)性能破壞更大的原因。在紫外輻照后期，近紫外造成的分子價(jià)鍵的破壞將引起在主鏈上的交聯(lián)，而遠(yuǎn)紫外光子由于可以破壞C=O鍵，從而可以引起側(cè)鏈上的交聯(lián)，因此表現(xiàn)為長期近紫外輻照下PI薄膜的力學(xué)性能較遠(yuǎn)紫外輻照更好。更深層次的PI薄膜紫外損傷機(jī)理及結(jié)構(gòu)演化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

4　結(jié)論

通過研究，可以得到四個(gè)結(jié)論：

（1）在近紫外或遠(yuǎn)紫外輻照下，均苯型PI薄膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率先降低，而后呈指數(shù)增加；

（2）在輻照初期，在相同曝輻量作用下，遠(yuǎn)紫外輻照較近紫外輻照對PI薄膜力學(xué)性能損傷更大；

（3）隨著曝輻量的增加，近紫外輻照下聚酰亞胺薄膜的力學(xué)性能優(yōu)于未輻照的材料，而遠(yuǎn)紫外輻照后的聚酰亞胺薄膜力學(xué)性能小于未輻照的材料；

（4）斷裂和交聯(lián)是造成紫外輻射環(huán)境下均苯型聚酰亞胺薄膜力學(xué)性能變化的主要原因。在紫外輻照初期，以分子鍵的斷裂為主；在紫外輻照后期，以分子鍵的交聯(lián)為主。

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［9］黃小琦，王立，劉宇飛，等.太陽帆表面薄膜空間電子輻照性能研究［J］.真空與低溫，2014，20（3）：154-157.

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［11］徐堅(jiān)，楊斌，楊猛，等.空間紫外輻照對高分子材料破壞機(jī)理研究綜述［J］.航天器環(huán)境工程，2011，28（1）：25-30.

［12］沈自才，李衍存，丁義剛，等.航天材料紫外輻射效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)方法［J］.航天器環(huán)境工程，2015，32（1）：43-48.

《真空與低溫》雜志主編李得天研究員當(dāng)選國際宇航科學(xué)院院士

最近，國際宇航科學(xué)院（IAA）官方網(wǎng)站公布了2015年院士評選結(jié)果，《真空與低溫》雜志主編李得天研究員當(dāng)選為國際宇航科學(xué)院院士。這是《真空與低溫》雜志的驕傲與光榮。

國際宇航科學(xué)院（IAA）是國際學(xué)術(shù)組織，由世界著名科學(xué)家馮·卡門倡導(dǎo)，1960年成立于瑞典斯德哥爾摩。宗旨是利用航天技術(shù)促進(jìn)人類和平與社會的發(fā)展，由在航天技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域有突出貢獻(xiàn)的專家組成。

李得天主編當(dāng)選國際宇航科學(xué)院院士，對提升《真空與低溫》雜志在國內(nèi)外的知名度和影響力，加強(qiáng)《真空與低溫》雜志與國內(nèi)外開展學(xué)術(shù)交流與合作起到積極作用，也為進(jìn)一步提高雜志質(zhì)量增添了新的活力。

《真空與低溫》編輯部

STUDY ON THE MECHANICAL PROPERTY OF POLYPYROMELLITIMIDE FILM BY PROTON RADIATION

SHEN Zi-cai，MU Yong-qiang，BAI Yu，DING Yi-gang，LIU Ye-nan，WANG Zhi-hao
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

Polyimide film was widely used in multilayered insulation and deployable structures of spacecraft，while their mechanical properties can be damaged by space ultraviolet irradiation.The mechanical property and mechanism of polyimide film in near ultraviolet and far ultraviolet radiation was studied and following results can be obtained：with the increasing of near ultraviolet or far ultraviolet irradiation，the rupture elongation and tensile strength of polyimide decrease firstly and then exponentially increase then tend to stable.In the early stage，the decrease of mechanical properties of polyimide films in near ultraviolet is faster than in far ultraviolet irradiation.And the mechanical properties of polyimide films irradiated by long duration near ultraviolet are better than in far ultraviolet environment.The breakage and cross linkage of molecular bond is the major cause of change of polyimide's mechanical property in ultraviolet environments，and breakage is the major origin in early stage of irradiation and cross linkage is for the increase of mechanical property in subsequent ultraviolet irradiation.

Polyimide；Mechanical property；near ultraviolet；far ultraviolet

V25

A

1006-7086（2015）05-0260-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.003

2015-07-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41174166）

沈自才（1980-），男，山東臨沂人，博士，高級工程師，主要從事航天器空間環(huán)境效應(yīng)及深空探測技術(shù)研究。Email：zicaishen@163.com。