成正愛,柳 青,馮展祖,汪 晨,黃小琦,王 立

(1.錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094;2.蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000;3.南京林業(yè)大學(xué),江蘇 210037)

0 引言

空間大尺度薄膜航天器是航天技術(shù)發(fā)展的一個(gè)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(yuǎn)鏡防熱屏[5]等。 采用折疊展開的大面積功能形面結(jié)構(gòu)是此類航天器的基本特征。 結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)需要通過預(yù)應(yīng)力來維持形面,來保證較高的形面精度和結(jié)構(gòu)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(dǎo)致薄膜性能退化的重要因素,隨著在軌服役時(shí)間薄膜的光學(xué)、力學(xué)性能均有不同程度的下降[7-12]。 但針對(duì)預(yù)應(yīng)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(bào)道。 有學(xué)者針對(duì)帶電粒子與應(yīng)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(yù)應(yīng)力加載對(duì)帶電粒子輻照下聚酰亞胺薄膜材料的性能退化存在促進(jìn)作用[13-14],有必要開展進(jìn)一步研究。 同時(shí)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(píng)估功能形面薄膜結(jié)構(gòu)的性能變化對(duì)功能形面薄膜結(jié)構(gòu)的長壽命可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

1 預(yù)應(yīng)力作用下聚酰亞胺薄膜材料的電子輻照試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

采用CASINO 軟件針對(duì)12.5 μm 薄膜結(jié)構(gòu)對(duì)電子輻照地面試驗(yàn)的輻照能量和條件進(jìn)行了仿真計(jì)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(yàn)?zāi)芰俊?而預(yù)應(yīng)力取值參考ADEOS-1 電池陣的薄膜基底的預(yù)應(yīng)力1.6 MPa,為更好的研究耦合作用中預(yù)應(yīng)力的作用規(guī)律,增加研究五倍作用即8 Mpa 預(yù)應(yīng)力載荷,通過進(jìn)行不同預(yù)應(yīng)力下的電子地面輻照試驗(yàn),得到在一定能量的帶電粒子輻照與預(yù)應(yīng)力共同作用下,聚酰亞胺薄膜材料樣品的力學(xué)性能退化規(guī)律。

圖2 使用CASINO 軟件計(jì)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(yàn)過程

試驗(yàn)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(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中Ⅳ型10 mm×100 mm 長條狀試樣。 試驗(yàn)采用吊裝砝碼的方式,對(duì)薄膜樣品進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的加載,分別對(duì)樣品施加0,1.6 Mpa,8 Mpa 單向拉伸預(yù)應(yīng)力。

利用電子槍在真空環(huán)境中對(duì)薄膜材料進(jìn)行能量為40 keV 的電子輻照試驗(yàn),為體現(xiàn)同樣低能電子能量下,不同輻照注量、不同預(yù)應(yīng)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(shè)2.5×1014cm-2,5×1014cm-2,7.5×1014cm-2,1×1015cm-2四個(gè)注量,共五個(gè)性能測試點(diǎn),每個(gè)測試點(diǎn)三個(gè)樣品。

圖3 電子輻照實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Electron irradiation experiment

輻照測試后對(duì)樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、XRD、紅外等測試,對(duì)預(yù)應(yīng)力與電子輻照耦合作用下的力學(xué)性能分析其損傷機(jī)理。

2 帶電粒子輻照與預(yù)應(yīng)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(jī)理

2.1 帶電粒子輻照與預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力載荷與電子耦合場作用后進(jìn)行力學(xué)拉伸測試,將得到的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長率隨注量的演化曲線而變化,與單獨(dú)輻照情況下的演化曲線進(jìn)行比較,如圖4、圖5 所示。

圖4 不同預(yù)應(yīng)力工況下聚酰亞胺抗拉強(qiáng)度隨注量演化曲線對(duì)比Fig.4 Evolution of polyimide tensile strength with fluence under different prestressing

圖5 不同預(yù)應(yīng)力工況下聚酰亞胺彈性模量隨注量演化曲線對(duì)比Fig.5 Evolution of polyimide elastic modulus with fluence under different prestressing

不同預(yù)應(yīng)力載荷下,聚酰亞胺薄膜樣品的抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨著輻照注量的增加均呈下降趨勢。 在預(yù)應(yīng)力耦合作用下,隨著預(yù)應(yīng)力的升高,數(shù)值上較單獨(dú)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(dú)作用的樣品,樣品施加8 Mpa 應(yīng)力后,輻照樣品的抗拉強(qiáng)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(jìn)行擬合,得到彈性模量按函數(shù)y=-0.627 4x2-25.803x+3 686.4 進(jìn)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(yù)應(yīng)力下曲線對(duì)比可見,隨著預(yù)應(yīng)力的增大薄膜樣品的伸長率是不斷降低的,且8 Mpa 預(yù)應(yīng)力下伸長率的下降趨勢相對(duì)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(dǎo)致伸長率的降低,但在輻照注量增大至1×1015cm-2時(shí),在數(shù)值上沒有明顯區(qū)別。

圖6 不同預(yù)應(yīng)力工況下斷裂伸長率隨注量演化曲線對(duì)比Fig.6 Evolution of elongation with fluence under different prestressing

2.2 帶電粒子輻照與預(yù)應(yīng)力耦合作用下聚酰亞胺薄膜材料損傷機(jī)理

2.2.1 耦合場作用聚酰亞胺XRD 分析

針對(duì)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(duì)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(shí),隨著應(yīng)力的增強(qiáng),衍射峰基本重合,說明此輻照劑量電子輻照和應(yīng)力的耦合作用并未對(duì)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(shí),隨著預(yù)應(yīng)力的增強(qiáng),可以發(fā)現(xiàn)010 晶面峰強(qiáng)有輕微的增加,代表了預(yù)應(yīng)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(yīng)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)峰, 計(jì)算1 720 cm-1處酰亞胺環(huán)上羰基的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰、1 500 cm-1酰亞胺環(huán)上C-N 鍵的伸縮振動(dòng)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(dòng)吸收峰,與苯環(huán)吸收峰峰值的比值,如表1 所列,當(dāng)樣品加載了8 Mpa 預(yù)應(yīng)力時(shí),各特征峰峰強(qiáng)均有輕微的降低。

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

同時(shí)預(yù)應(yīng)力給聚酰亞胺薄膜樣品帶來的影響來自于預(yù)應(yīng)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(huì)發(fā)生斷裂產(chǎn)生自由基并發(fā)生復(fù)合反應(yīng)。 因?yàn)槭┘宇A(yù)應(yīng)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(huì)有一定的增多,結(jié)合已有研究顯示材料內(nèi)部自由體積的改變會(huì)使自由基之間的復(fù)合變得更為容易,所以施加預(yù)應(yīng)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(yīng)力場耦合作用下聚酰亞胺樣品中各特征峰的峰強(qiáng)相比未加載預(yù)應(yīng)力樣品的各峰峰強(qiáng)有微弱的降低。 這種情況是由于在預(yù)應(yīng)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(yīng)的增強(qiáng),兩者的共同作用導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部基團(tuán)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(zhuǎn)變。 而預(yù)應(yīng)力加載導(dǎo)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(qiáng)度等參數(shù)對(duì)比于未施加預(yù)應(yīng)力樣品有微弱上升的趨勢。

3 功能形面薄膜預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)性能演化評(píng)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(zhuǎn)化系統(tǒng)中的電池子陣結(jié)構(gòu)為功能形面的研究對(duì)象,子陣整體尺寸為26.5 m× 6 m,主要結(jié)構(gòu)由桁架、柔性支撐結(jié)構(gòu)以及聚酰亞胺薄膜基底三部分組成,構(gòu)型如圖9 所示。

3.2 空間帶電粒子輻照對(duì)預(yù)應(yīng)力功能形面性能的影響評(píng)估

將通過試驗(yàn)測試得到的退化規(guī)律引入材料退化模型,對(duì)電池子陣結(jié)構(gòu)的基頻、光壓力下的應(yīng)力分布、型面精度的演化情況進(jìn)行仿真計(jì)算。 分析過程如圖10 所示,計(jì)算開始時(shí)首先設(shè)置預(yù)應(yīng)力條件,接著分析預(yù)應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)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(duì)材料參數(shù)進(jìn)行循環(huán)迭代,每次計(jì)算開始時(shí)利用場變量對(duì)膜材料的彈性模量進(jìn)行重設(shè),以模擬膜材料在預(yù)應(yīng)力與電子輻照耦合作用下的退化過程。 重設(shè)彈性模量之后進(jìn)行平衡迭代分析,計(jì)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(yīng)力分布,各分析中均考慮了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)反對(duì)稱彎曲的整體振型。 隨著膜材料彈性模量退化,結(jié)構(gòu)一階固有頻率的變化曲線如圖12所示,呈緩慢降低趨勢。 當(dāng)膜材料彈性模量退化時(shí),計(jì)算得到薄膜陣面實(shí)際平均應(yīng)力下降導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的固有頻率同比降低。 膜材料彈性模量退化8.8%,結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)在軌服役過程中由于對(duì)日定向,電池陣面持續(xù)受到光壓力作用,故對(duì)預(yù)應(yīng)力薄膜陣面施加9.12×10-6Pa 的面壓力。 預(yù)應(yīng)力電池子陣模型在光壓力載荷下的應(yīng)力分布如圖13 所示,除與柔性支撐邊框連接處有少量應(yīng)力集中之外,薄膜的應(yīng)力分布較為均勻,通過求取薄膜陣面的平均應(yīng)力,來掌握薄膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)隨輻照導(dǎo)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(yīng)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(jié)構(gòu)平均應(yīng)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(shí)際平均應(yīng)力同比降低了8.36%。

取整個(gè)薄膜的法向位移進(jìn)行了平面度計(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)論來看,材料性能退化總體趨勢不變,各項(xiàng)參數(shù)均隨著輻照注量增加而不斷下降。 但相比于單獨(dú)輻照作用的樣品,預(yù)應(yīng)力耦合作用下樣品最終的抗拉強(qiáng)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(qiáng),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?yàn)樵陬A(yù)應(yīng)力作用下,分子鏈的有序化導(dǎo)致薄膜材料化學(xué)鍵斷裂產(chǎn)生自由基的含量略微變低,進(jìn)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(píng)估,通過仿真計(jì)算得到,對(duì)于預(yù)應(yīng)力作用下的功能形面薄膜結(jié)構(gòu),隨著輻照劑量的增加,結(jié)構(gòu)基頻變化幅度較弱,但平面度升高了20%。 形面精度的變差對(duì)本文中有較強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)的太陽電池陣影響不大,但柔性較大的薄膜天線等結(jié)構(gòu)的基頻變化會(huì)更加敏感,同時(shí)形面精度的退化會(huì)對(duì)天線精度造成影響,需要在長期在軌運(yùn)行任務(wù)中考慮預(yù)應(yīng)力及空間環(huán)境的耦合影響。