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）

?

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(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)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(yán)重退化現(xiàn)象。在最大輻照劑量下，材料斷裂伸長(zhǎng)率由414.3%下降為0.06%，拉伸強(qiáng)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(yán)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(huì)遭受空間帶電粒子輻照，其帶來的總劑量效應(yīng)會(huì)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(jìn)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(hù)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(jì)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(rèn)為有必要對(duì)帶電粒子輻照環(huán)境下熱縮套管性能退化等效性進(jìn)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(jìn)行地面模擬試驗(yàn)，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(jì)提供參考依據(jù)。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)原理

輻射源60Co的衰變時(shí)會(huì)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(zhǎng)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(gè)部分，首先通過光電效應(yīng)、康普頓散射和產(chǎn)生電子對(duì)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。空間帶電粒子輻射環(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(shì)。

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(yùn)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(shí)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(jì)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(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣品為星用透明熱縮套管，具體參數(shù)及其性能測(cè)試詳見表1。

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

表1中，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都為高亞聚乙烯熱縮套管的力學(xué)性能參數(shù)。拉伸強(qiáng)度為在拉伸試驗(yàn)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(zhǎng)率是指試樣在拉斷時(shí)的位移值與原長(zhǎng)的比值，其結(jié)果以百分比表示，它是衡量材料韌性的指標(biāo)，斷裂伸長(zhǎng)率越大韌性越好，反之材料就越脆。

鈷源輻照試驗(yàn)在北京師范大學(xué)鈷源輻照系統(tǒng)中進(jìn)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(yàn)時(shí)選擇劑量率120 rad（Si）/s，受經(jīng)費(fèi)及時(shí)間限制，輻照時(shí)間選擇30天，此時(shí)總吸收劑量為3×108rad（Si），比實(shí)際空間劑量要低。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)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(diǎn)。在最大輻照劑量下，熱縮套管的斷裂伸長(zhǎng)率由414.3%下降為0.06%，下降幅度接近100%；拉伸強(qiáng)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(gè)劑量點(diǎn)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(shì)，且最大劑量點(diǎn)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(xì)微裂紋。分析認(rèn)為γ射線對(duì)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(cè)試結(jié)果及外觀檢測(cè)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(jìn)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(duì)聚合物的初級(jí)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(duì)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(cè)重點(diǎn)，這是由于CO2的產(chǎn)生主要源于高亞聚乙烯長(zhǎng)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(jìn)一步增加，斷裂程度增加，從而對(duì)應(yīng)的樣品的力學(xué)性能（斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度）出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖5　吸收劑量對(duì)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(jī)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(cè)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(duì)于輻照前的樣品，主要以高亞聚乙烯長(zhǎng)鏈為主，其中有Si—O鍵交聯(lián)結(jié)構(gòu)。輻照試驗(yàn)后，樣品中碳的含量呈下降趨勢(shì)，而氧的含量呈上升趨勢(shì)，可以推測(cè)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(duì)稱伸縮振動(dòng)、2849 cm-1CH2對(duì)稱伸縮振動(dòng)、1464 cm-1CH2平面變焦振動(dòng)、719 cm-1碳鏈面內(nèi)搖擺振動(dòng)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(qiáng)，且輻射后新增加了1712 cm-1的特征峰，推測(cè)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(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度）呈大幅下降的趨勢(shì)，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(cè)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。

［1］王旭東，何世禹，楊德莊.電子通量對(duì)ZnO/K2SiO3熱控涂層光學(xué)性能的影響［J］.強(qiáng)激光與離子束，2002，14（3）：476—480.

WANG Xu-dong，HE Shi-yu，YANG De-zhuang.Effects of Electron Irradiation Energy on Optical Properties of ZnO/K2SiO3Thermal Control Coatings［J］.High Power Laser and Patical Beams，2002，14（3）：476—480.

［2］PURVIS C K.Design Guidelines for Assessing and ControllingSpacecraftChargingEffects［R］.NASA Technical Paper 2361，1984.

［3］DESHPANDE M S，HADARA Y.Development of TailorableElectricallyConductiveThermalControl Material Systems［R］.NASA，CR-208487，2008.

［4］MELL R J，WERTZ G E.Testing and Optimization of Electrically Conductive Spacecraft Coatings［J］.NASA/ CR-2001-211411，2001.

［5］盧榆孫，王隴民.柔性熱控材料性能的試驗(yàn)方法研究［J］.真空與低溫，2000，6（1）：8—14.

LU Yu-sun，WANG Long-min.Research on Test Method of Flexible Thermal Control Coating’Cability［J］.Vacuum and Cryogenics，2000，6（1）：8—14.

［6］王志民，盧榆孫，馮煜東，等.空間輻射與原子氧環(huán)境對(duì)導(dǎo)電型熱控涂層薄膜性能影響［J］.真空與低溫，2004，10（3）：152—158.

WANG Zhi-min，LU Yu-sun，F(xiàn)ENG Yu-dong，et al. InfluenceofSpaceRadiationandAtomicOxgen Enviroment on Performance of Conductive Thermal Control Film［J］.Vacuum and Cryogenics，2004，10（3）：152—158.

［7］翟睿瓊，姜海富，田東波，等.空間站原子氧環(huán)境仿真研究［J］.裝備環(huán)境工程，2014，11（3）：35—39.

ZAI Rui-qiong，JIANG Hai-fu，TIAN Dong-bo，et al. Simulation of Atomic Oxygen Interaction with Space Station［J］.Equipment Enviromental Engineering，2014，11（3）：35—39.

［8］駱晨，劉明，孫志華，等.航空結(jié)構(gòu)材料環(huán)境適應(yīng)性研究進(jìn)展及發(fā)展方向［J］.裝備環(huán)境工程，2014，11（6）：10—14.

LUO Chen，LIU Ming，SUN Zhi-hua，et al.Research ProgressandDevelopmentTrendinEnvironmental WorthinessofAeronauticalStructuralMaterials［J］. EquipmentEnviromentalEngineering，2014，11（6）：10—14.

［9］金天雄，黃興溢，馬芝森，等.γ輻照交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜水樹行為的研究［J］.絕緣材料，2008，41（6）：50—53.

JIN Tian-xiong，HUANG Xing-yi，MA Zhi-sen，et al. Experimental Research on Water Treeing Behavior of Gammar Irradiated XLPE Cable Insulation［J］.Insulating Materials，2008，41（6）：50—53.

［10］ 孫建生，陸燕紅，曲文波，等.核電站1E級(jí)電纜材料的輻照老化試驗(yàn)研究［J］.電線電纜，2010（1）：26—28.

SUN Jian-sheng，LU Yan-hong，QU Wen-bo，et al.Study of the Irradiation Ageing Test of the Materials for Class 1E Cables for Nuclear Power Plant［J］.electric wire& cable，2010（1）：26—28.

［11］ MANSOURSA.Effectsofγ-irradiationonthe Mechanical and Relaxation Behavior of High and Low Density Polyethylene［J］.Egypt J Sol，2001，24（1）：89—100.

［12］COTA S S，VASCONCELOS V，SENNEJR M.Changes in Mechanical Properties Due to Gamma Irradiation of High-density Polyethylene（HDPE）［J］.Brazilian Journal of Chemical Engineering，2007，24（2）：259—265.

［13］ 唐超，廖瑞金，周天春，等.伽馬射線對(duì)低密度聚乙烯的空間電荷陷阱特征影響［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（22）：188—194.

TANG Chao，LIAO Rui-jin，ZHOU Tian-chun，et al. InfluenceofGammaIrradiationonSpaceCharge Trapping Characteristics in Low Density Polyethylene［J］. ProceedingsoftheChineseSocietyforElectrical Engineering，2012，32（22）：188—194.

［14］ 劉宇明，丁義剛，姜利祥，等.熱縮套管絕緣性能輻照效應(yīng)研究［J］.航天器環(huán)境工程，2010，27（1）：59—62.

LIU Yu-ming，DING Yi-gang，JIANG Li-xiang，et al. Radiation Effects on the Insulation Properties of HeatshrinkableSleeves［J］.SpacecraftEnvironment Engineering，2010，27（1）：59—62.

［15］ 黃瑋，熊潔，高小鈴，等.聚乙烯線纜材料的輻射穩(wěn)定性［J］.核化學(xué)與放射化學(xué)，2007，29（4）：244—247.

HUANG Wei，XIONG Jie，GAO Xiao-ling，et al. Radiation Stability of Polyethlene Cable［J］.Journal of NuclearAnd Radiochemistry，2007，29（4）：244—247.

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?yàn)榭臻g輻射環(huán)境材料下性能評(píng)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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g輻射環(huán)境材料下性能評(píng)估技術(shù)。