沈自才，郭 亮，馬子良，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）

?

聚酰亞胺薄膜在γ射線輻照下的力學(xué)性能退化研究

沈自才，郭 亮，馬子良，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）

摘要：聚酰亞胺（PI）薄膜在空間高能粒子輻射環(huán)境下會(huì)發(fā)生力學(xué)性能退化。文章利用鈷源輻照試驗(yàn)裝置和熱重分析、XPS分析等對(duì)均苯型PI薄膜在γ射線輻照下的力學(xué)性能退化及其規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在γ射線輻照下，PI薄膜有明顯的總劑量效應(yīng)和劑量率效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：聚酰亞胺薄膜；γ射線；力學(xué)性能；總劑量效應(yīng)；劑量率效應(yīng)；試驗(yàn)研究

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(yáng)帆等充氣展開結(jié)構(gòu)中。由于長(zhǎng)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)性能可能發(fā)生退化。

國(guó)外學(xué)者對(duì)航天用薄膜材料的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。Verker等[1]對(duì)POSS聚酰亞胺（PI）薄膜在原子氧和空間碎片環(huán)境協(xié)同作用下的侵蝕速率和力學(xué)性能進(jìn)行了研究；Shimamura等[2]對(duì)空間飛行試驗(yàn)環(huán)境下的PI薄膜力學(xué)性能退化進(jìn)行了研究，認(rèn)為原子氧是導(dǎo)致其性能退化的主要因素，而電子和紫外對(duì)其性能影響較小；Joyce等[3]研究發(fā)現(xiàn)，隨著輻照時(shí)間的增加，“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡所用的Teflon FEP二次表面鏡薄膜的力學(xué)性能發(fā)生了退化；Stuckey 等[4]對(duì)充氣展開結(jié)構(gòu)用薄膜材料的空間輻射環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了地面模擬試驗(yàn)研究，并對(duì)其力學(xué)性能退化進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此外，許多學(xué)者對(duì)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[5-9]。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)空間輻射環(huán)境下薄膜材料的力學(xué)性能研究還比較少，有文獻(xiàn)報(bào)道了對(duì)空間電子、質(zhì)子等輻射環(huán)境下薄膜材料力學(xué)性能的初步研究[10-13]。

本文利用鈷源（60Co）模擬空間高能粒子輻射環(huán)境，對(duì)進(jìn)口均苯型PI薄膜材料（Kapton）的力學(xué)性能退化進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)有關(guān)總劑量效應(yīng)和劑量率效應(yīng)進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)方案

1.1樣品制備

根據(jù)GB 13022—1991《塑料 薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法》，使用專用裁刀將厚度25μm的進(jìn)口PI薄膜裁制成寬15mm、長(zhǎng)150mm的長(zhǎng)條型樣品，并用照明放大鏡檢查，舍去邊緣有缺陷的試樣。試驗(yàn)時(shí)按每組5個(gè)樣品，取測(cè)試的平均值（剔除異常）進(jìn)行曲線繪制。

1.2試驗(yàn)參數(shù)

在室溫、常壓下利用北京師范大學(xué)60Co輻照試驗(yàn)裝置對(duì)樣品進(jìn)行γ射線輻照試驗(yàn)，輻照劑量率分別為8、25、50rad(Si)/s，總劑量分別為5×104、1×105、5×105、1×106rad(Si)。其中，劑量率為50rad(Si)/s時(shí)的最大輻照劑量為6.2×106rad(Si)。

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。樣品的標(biāo)距為100mm，拉伸速度為50mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1不同輻照劑量率對(duì)PI薄膜力學(xué)性能的影響

在3種不同劑量率γ射線輻照下，PI薄膜的拉力（抗拉強(qiáng)度可由此換算）和斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量的變化情況分別見圖1和圖2。

圖1　PI薄膜拉力隨輻照劑量的變化Fig. 1 Tensile force in PI films vs. radiation dose

圖2　PI薄膜斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量的變化Fig. 2 Rupture elongation of PI films vs. radiation dose

由圖1和圖2可知，在不同劑量率的γ射線輻照之后，PI薄膜的拉力（及抗拉強(qiáng)度）和斷裂伸長(zhǎng)率均隨γ射線輻照劑量的增加先增大而后逐漸減小。

2.2不同輻照劑量對(duì)PI薄膜力學(xué)性能的影響

在4種不同輻照劑量下，PI薄膜的拉力（及抗拉強(qiáng)度）和斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量率的變化情況見圖3和圖4。

圖3　PI薄膜拉力隨輻照劑量率的變化Fig. 3 Tensile force in PI films vs. radiation fluxes and dose rates

圖4　PI薄膜斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量率的變化Fig. 4 Rupture elongation of PI films vs. radiation fluxes and dose rates

由圖3和圖4可知，在5×104和1×105rad(Si)的低輻照劑量下，PI薄膜的拉力（及抗拉強(qiáng)度）和斷裂伸長(zhǎng)率均隨劑量率的增加先增高再降低，然后再增高，但始終高于原始樣品；而在5×105和1×106rad(Si)的高輻照劑量下，PI薄膜的拉力（及抗拉強(qiáng)度）和斷裂伸長(zhǎng)率則隨劑量率的增加先降低再增高，在輻照劑量率達(dá)到50rad(Si)/s時(shí)，接近或略高于原始樣品的值。

3 擬合分析

3.1劑量率對(duì)PI薄膜力學(xué)性能影響

3.1.1薄膜拉力的變化規(guī)律

對(duì)3種不同劑量率γ射線輻照下，PI薄膜的拉力隨輻照劑量開始明顯變化后的部分曲線進(jìn)行擬合分析，結(jié)果見圖5。

圖5　不同輻照劑量率下PI薄膜拉力隨輻照劑量的變化擬合Fig. 5 Fitting curve of tensile force in PI films vs. gamma ray dose rates

由圖5可知，在50rad(Si)/s劑量率下，當(dāng)受到的輻照劑量超過5×104rad(Si)后，PI薄膜的拉力隨輻照劑量的增加而呈指數(shù)減小，最后趨于穩(wěn)定，其變化趨勢(shì)的擬合公式可以表示為

式中：y1為拉力，N；x為輻照劑量，rad(Si)。可見，在50rad(Si)/s劑量率的γ射線長(zhǎng)期輻照下，PI薄膜拉力的理論最小值為91.835N。

在25rad(Si)/s劑量率下，當(dāng)受到的輻照劑量超過1×105rad(Si)后，PI薄膜的拉力隨輻照劑量的增加而呈指數(shù)減小，其變化趨勢(shì)的擬合公式可以表示為

可見，在25rad(Si)/s劑量率的γ射線長(zhǎng)期輻照下，PI薄膜拉力的理論最小值為89.900N。

在8rad(Si)/s劑量率下，當(dāng)受到的輻照劑量超過1×105rad(Si)后，PI薄膜的拉力隨輻照劑量的增加而呈指數(shù)減小，其變化趨勢(shì)的擬合公式可以表示為

可見，在8rad(Si)/s劑量率的γ射線長(zhǎng)期輻照下，PI薄膜拉力的理論最小值為88.823N。

3.1.2薄膜抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律

對(duì)3種不同γ射線輻照劑量率下，PI薄膜的抗拉強(qiáng)度隨輻照劑量的變化規(guī)律與拉力的相同，其變化趨勢(shì)的擬合公式可以表示為

式(4)～式(6)所對(duì)應(yīng)的輻照劑量率分別為50、25、8rad(Si)/s，式中y2為抗拉強(qiáng)度，其在γ射線長(zhǎng)期輻照下的理論最小值分別為244.391、239.724和236.860MPa。

3.1.3薄膜斷裂伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律

對(duì)3種不同γ射線輻照劑量率下，PI薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量的變化進(jìn)行擬合分析，結(jié)果見圖6。

圖6　不同輻照劑量率下PI薄膜斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量的變化擬合Fig. 6 Fitting curve of rupture elongation for PI films vs. gamma ray dose rates

由圖6可知，在50rad(Si)/s劑量率下，當(dāng)受到的輻照劑量超過1×105rad(Si)后，薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量的增加而呈指數(shù)減小，最后趨于穩(wěn)定，其變化趨勢(shì)的擬合公式可以表示為

式中：y3為斷裂伸長(zhǎng)率，%；x為輻照劑量，rad(Si)?？梢?，在50rad(Si)/s劑量率的γ射線長(zhǎng)期輻照下，PI薄膜斷裂伸長(zhǎng)率的理論最小值為66.264%。

在25rad(Si)/s劑量率下，當(dāng)受到的輻照劑量超過1×105rad(Si)后，薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量的增加而呈指數(shù)減小，其變化趨勢(shì)的擬合公式可以表示為可見，在25rad(Si)/s劑量率的γ射線長(zhǎng)期輻照下，PI薄膜斷裂伸長(zhǎng)率的理論最小值為63.656%。

在8rad(Si)/s劑量率下，當(dāng)受到的輻照劑量超過5×104rad(Si)后，薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照劑量的增加而呈指數(shù)減小，其變化趨勢(shì)的擬合公式可以表示為

可見，在8rad(Si)/s劑量率的γ射線長(zhǎng)期輻照下，PI薄膜斷裂伸長(zhǎng)率的理論最小值為65.985%。

3.2劑量率對(duì)PI薄膜力學(xué)性能理論最小值的影響

由3.1節(jié)分析可知，不同劑量率γ射線輻照下，PI薄膜的拉力、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的理論最小值見表1。

表1　不同劑量率下PI薄膜的力學(xué)性能理論最小值Table 1 Mechanical properties of PI films radiated by different dose rates

由表1可知，在長(zhǎng)期γ射線輻照下，隨著輻照劑量率的增加，PI薄膜的拉力和抗拉強(qiáng)度的理論最小值逐漸增加，而斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大，但均小于未受輻照樣品。這說明在γ射線輻照下，PI薄膜存在明顯的劑量率效應(yīng)。

4 結(jié)論

通過研究，可以得到以下結(jié)論：

1）PI薄膜在γ射線輻照下存在總劑量效應(yīng)，其力學(xué)性能隨著輻照劑量的增加先增大，而后呈指數(shù)減小。

2）PI薄膜在γ射線輻照下存在顯著的劑量率效應(yīng)。在低輻照劑量下，其力學(xué)性能隨著劑量率的增加呈現(xiàn)先增大再減小而后又增大的變化趨勢(shì)；而在高輻照劑量下，其力學(xué)性能隨著劑量率的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。

3）在長(zhǎng)期γ射線輻照下，隨著輻照劑量率的增加，PI薄膜的拉力和抗拉強(qiáng)度逐漸增加，而斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增加。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Verker R, Grossman E, Eliaz N. Erosion of POSS-polyimide films under hypervelocity impact and atomic oxygen: the role of mechanical properties at elevated temperatures[J]. Acta Materialia, 2009, 57: 1112-1119

[2] Shimamura H, Yamagata I. Degradation of mechanical properties of polyimide film exposed to space environment[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2009, 46(1): 15-21

[3] Joyce A D, Kim K G, Jacqueline A T, et al. Mechanical properties degradation of Teflon FEP returned from the Hubble Space Telescope[C]//The 36thAerospace Sciences Meeting & Exhibit. Reno, NV, 1998

[4] Stuckey W K, Meshishnek M J, Hanna W D, et al. Space environment test of materials for inflatable structures, Aerospace Report TR-98(1055)-1[R]. The Aerospace Corporation, CA, 1998

[5] Ferl J E, Long E R Jr. Low-energy electron effects on tensile modulus and infrared transmission properties of a polypyromellitimide film, NASATM-81977[R], 1981

[6] Albarado T L, Hollerman W A, Edwards D, et al. Electron exposure measurements of candidate solar sail materials[J]. Journal Solar Energy Engineering, 2005, 127(1): 125-130

[7] Russell D A, Connell J W, Fogdall L B. Electron, proton, and ultraviolet radiation effects on thermo physical properties of polymeric films[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2002, 39(6): 833-838

[8] Edwards D L, Hubbs W, Stanaland T, et al. Characterization of space environmental effects on candidate solar sail material[J]. SPIE, 2002, 4823: 67-74

[9] Edwards D L, Semmel C, Hovater M A, et al. Solar sail material performance property response to space environmental effects[J]. SPIE, 2004, 5554: 80-91

[10] 沈自才, 鄭慧奇, 趙雪, 等. 遠(yuǎn)紫外輻射下Kapton/Al薄膜材料的力學(xué)性能研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2010, 27(5): 600-603 Shen Zicai, Zheng Huiqi, Zhao Xue, et al. Effects of far ultraviolet irradiation on mechanical properties of Kapton/Al film[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2010, 27(5): 600-603

[11] 張帆, 沈自才, 馮偉泉, 等. 均苯型聚酰亞胺薄膜在質(zhì)子輻照下的力學(xué)性能退化試驗(yàn)研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2012, 29(3): 315-319Zhang Fan, Shen Zicai, Feng Weiquan, et al. The effect of space proton environment on mechanical properties of polypyromellitimide film[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2012, 29(3): 315-319

[12] 黃小琦, 王立, 劉宇飛, 等. 太陽(yáng)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

Huang Xiaoqi, Wang Li, Liu Yufei, et al. Investigation of properties of solar sail membrane under electron irradiation[J]. Vacum & Cryogenics, 2014, 20(3): 154-157

[13] 沈自才, 牟永強(qiáng), 吳宜勇. 電子輻照Kapton/Al薄膜力學(xué)性能退化規(guī)律與機(jī)理研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(3): 42-44

Shen Zicai, Mu Yongqiang, Wu Yiyong. Study on the mechanical property degradation and mechanism of Kapton/Al film by electron radiation[J]. Equipment Environment Engineering, 2015, 12(3): 42-44

（編輯：張艷艷）

Mechanical property degradation of polyimide film under gamma ray radiation

Shen Zicai, Guo Liang, Ma Ziliang, Bai Yu, Ding Yigang, Liu Yenan, Wang Zhihao
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Abstract:Polyimide films might be damaged under space high energy particle irradiation. In this paper, the mechanical properties of polyimide film is studied with the60Co radiation source, the thermo-gravimetric analysis and the XPS analysis. Significant total dose effect and dose rate effects are found in the mechanical properties of the PI film under gamma ray radiation.

Key words:polyimide film; gamma ray; mechanical properties; total dose effect; dose rate effect; test study

作者簡(jiǎn)介：沈自才（1980—），男，博士學(xué)位，高級(jí)工程師，目前主要從事航天器空間環(huán)境效應(yīng)及深空探測(cè)技術(shù)研究。E-mail: zicaishen@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：41174166）

收稿日期：2015-08-24；修回日期：2016-01-06

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.018

中圖分類號(hào)：O434.2; V416.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-1379(2016)01-0100-05