李皓鵬 趙賀一 殷永霞 邱泉水 孫東華

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）

（2 北京工業(yè)大學材料與制造學部，北京 100124）

0 引言

深空探測是除衛(wèi)星應用、載人航天外人類航天活動的又一重大領(lǐng)域［1］，隨著“繞、落、回”探月工程三期任務的順利完成，“天問一號”探測器在火星表面的成功著陸，國家拉開了開展深空探測活動的序幕，然而愈加惡劣的空間環(huán)境是航天器尤其是空間電源系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)［2］。

太陽翼基板是航天器電源系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)，起承載太陽能電池片作用，其中剛性基板是應用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)安裝模式和應用方式又分為展開式基板和體裝式基板兩種，前者多為碳纖維網(wǎng)格面板∕鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，后者多為碳纖維復合材料面板∕鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)［3］。太陽翼基板結(jié)構(gòu)在軌的穩(wěn)定性直接影響太陽電池片的功能發(fā)揮。太陽翼在裝星發(fā)射、在軌展開和鎖定、姿態(tài)與軌道調(diào)整、再入著陸過程中均會受到載荷作用，同時空間環(huán)境的高溫、空間輻照等影響均可能引起膠黏劑材料的特性變化，在載荷和內(nèi)應力共同作用下，導致太陽翼基板出現(xiàn)板-芯脫粘等情況，進而產(chǎn)生面板凸起、鼓包等問題，造成電池片的鼓起、彎折甚至碎裂，影響航天器電源系統(tǒng)的在軌壽命［4-5］。因此結(jié)構(gòu)膠黏劑材料尤其太陽翼基板板-芯膠黏劑的耐高溫等空間環(huán)境的性能至關(guān)重要。

目前太陽翼基板常用板-芯結(jié)構(gòu)膠黏劑以J-47、J-154、Redux312 等中溫固化環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠膜為主，其應用溫度均在120 ℃以下，針對120 ℃以上滿足空間環(huán)境應用的基板板-芯膠黏劑的研究國內(nèi)外均少有報道。本文介紹一種中溫固化改性環(huán)氧樹脂板-芯結(jié)構(gòu)膠黏劑J-159 并研究其力學性能、真空揮發(fā)性能、耐帶電粒子輻照性能以及典型件耐熱真空循環(huán)性能。

1 實驗

1.1 原材料

J-159、J-47 系列結(jié)構(gòu)膠黏劑，黑龍江省科學院石油化工研究院；鋁蜂窩芯材，西安雅西復合材料有限公司；F46環(huán)氧樹脂，上海樹脂廠有限公司；高模量碳纖維，日本東麗；聚酰亞胺薄膜，美國杜邦。

1.2 試樣制備

1.2.1 拉伸剪切試件制備

拉伸剪切性能試件采用鋁-鋁粘接形式，單個鋁合金試片尺寸為70 mm×20 mm×3 mm，膠接前經(jīng)磷酸陽極化處理，片與片搭接長度為（15±0.5）mm。

1.2.2 夾層結(jié)構(gòu)90°剝離試件制備

夾層結(jié)構(gòu)90°剝離性能試件采用鋁面板∕鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，試件規(guī)格為260 mm×20 mm，鋁面板厚度分別為0.3 和3 mm，蜂窩規(guī)格為0.05 mm×3 mm，鋁面板膠接前經(jīng)磷酸陽極化處理。

1.2.3 夾層結(jié)構(gòu)彎曲試件制備

夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能試件采用碳纖維復合材料面板∕鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，試件規(guī)格為280 mm×30 mm，高10 mm，面板材料為高模量碳纖維∕環(huán)氧樹脂復合材料，鋪層角度［0°∕+45°∕-45°∕90°］，上下面板對稱鋪層，厚度0.32 mm，蜂窩規(guī)格為0.05 mm×3 mm，蜂窩L向沿長邊方向。

1.2.4 基板典型樣件的制備

采用J-159板-芯結(jié)構(gòu)膠黏劑制備碳纖維網(wǎng)格面板∕鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)樣件和碳纖維復合材料面板∕鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)樣件兩種，規(guī)格為600 mm×800 mm，高度為15 mm；鋁蜂窩規(guī)格0.03 mm×5 mm；碳纖維網(wǎng)格面板和碳纖維復合材料面板均采用高模量碳纖維∕環(huán)氧樹脂復合材料，同時粘接0.05 mm 的聚酰亞胺薄膜，前者為3 mm×3 mm 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，采用纏繞工藝制備，后者直接手工鋪層，鋪層角度［0°∕+45°∕-45°∕90°］，上下面板對稱鋪層，厚度0.32 mm，均采用熱壓罐固化成型。

1.3 性能測試

1.3.1 拉伸剪切性能

與J-47 膠黏劑做性能對照，測試未經(jīng)歷熱循環(huán)和經(jīng)歷熱循環(huán)兩種狀態(tài)在不同溫度下的拉伸剪切性能。前者設置室溫、100、130、150℃的溫度條件，后者設置室溫和150℃兩種溫度條件，均按照GB∕T7124—2008《膠黏劑拉伸剪切強度的測定（剛性材料對剛性材料）》和GJB 444—1988《膠黏劑高溫拉伸剪切強度試驗方法（金屬對金屬）》進行膠黏劑室溫和高溫條件下拉伸剪切性能測試，其中高溫測試在試件到達指定溫度保溫20 min后進行。

1.3.2 夾層結(jié)構(gòu)90°剝離性能

與J-47 膠黏劑做性能對照，測試蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在不同溫度下的90°剝離性能。設置室溫、100、130、150℃的溫度條件，按照GJB 130.8—1986《膠接鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)90°剝離試驗方法》進行測試，其中高溫測試在試件到達指定溫度保溫20 min后進行。

1.3.3 夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能

與J-47 膠黏劑做性能對照，測試在不同溫度下的彎曲性能。設置室溫、100、120、130、140、150℃的溫度條件，按照GB∕T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗方法》進行測試，其中外伸梁三點跨距120 mm，外伸長度60 mm，高溫測試在試件到達指定溫度保溫20 min后進行。

1.3.4 真空揮發(fā)性能

按照QJ 1558B—2016《真空條件下材料揮發(fā)性能測試方法》對J-159膠黏劑真空條件下材料總質(zhì)量損失和可凝揮發(fā)物進行測試。樣品測試前置于（23±2）℃，相對濕度45%～55%的恒溫恒濕箱中保持24 h，測試時樣品受熱溫度為（125±1）℃，收集板溫度（25±1）℃，真空度優(yōu)于7 mPa，測試時間為24 h。

1.3.5 耐帶電粒子輻照性能

輻照源為60Co γ 源，輻照總劑量1.36×106rad（Si）。按照GB∕T7124—2008、GJB 444—1988 和GJB 130.8—1986 分別對J-159 輻照前、后在室溫和150℃條件下拉伸剪切性能和夾層結(jié)構(gòu)90°剝離性能進行測試，高溫測試在試件到達指定溫度保溫20 min后進行。

1.3.6 熱真空循環(huán)試驗

試驗環(huán)境壓力小于6.65 mPa；試驗溫度范圍為-105～+150℃；升降溫平均溫度變化速率大于10 ℃∕min；高溫停留1.5 h，低溫停留1.0 h，循環(huán)次數(shù)12.5次。

2 結(jié)果與討論

2.1 J-159膠黏劑拉伸剪切性能

J-159 和J-47 在未經(jīng)歷熱循環(huán)和經(jīng)歷熱循環(huán)兩種狀態(tài)下不同溫度下的膠黏劑拉伸剪切測試結(jié)果見表1。由結(jié)果分析可知，J-159 和J-47 熱真空循環(huán)試驗后與試驗前相比，相同測試溫度下膠黏劑的拉伸剪切性能不下降，表明兩種結(jié)構(gòu)膠黏劑均具有優(yōu)異的耐熱真空循環(huán)特性。J-159 的拉伸剪切性能在室溫至150℃內(nèi)隨溫度變化較小，在150℃下的拉伸剪切強度相對室溫性能保持率約為89%，而J-47 隨溫度升高性能衰減較為明顯，在150℃下的拉伸剪切強度相對室溫性能保持率僅約為22%。

表1 J-159和J-47膠黏劑拉伸剪切性能Tab.1 Tensile lap-shear strength of J-159 and J-47

2.2 J-159膠黏劑夾層結(jié)構(gòu)90°剝離性能

J-159和J-47在不同溫度下的夾層結(jié)構(gòu)90°剝離性能測試結(jié)果見表2。由結(jié)果分析可知，在100 ℃時，J-159膠黏劑夾層結(jié)構(gòu)90°剝離強度與J-47相當；在100 ℃之后J-159 膠黏劑性能優(yōu)勢凸顯，隨溫度的升高性能衰減明顯低于J-47，在150℃條件下J-159膠黏劑的夾層結(jié)構(gòu)90°剝離強度相對于室溫保持率約為58%，而J-47 在150℃條件下夾層結(jié)構(gòu)90°剝離強度相對于室溫保持率不足10%，表明J-159膠黏劑具有更好的耐高溫性能。

表2 J-159和J-47膠黏劑90°蜂窩剝離性能Tab.2 90°peel strength of honey-comb-sandwich structure of J-159 and J-47

2.3 J-159膠黏劑夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能

J-159 和J-47 在不同溫度下的夾層結(jié)構(gòu)彎曲強度測試結(jié)果見表3和圖1。

圖1 不同溫度下的夾層結(jié)構(gòu)彎曲強度Fig.1 Bending strength of sandwich structure at different temperatures

表3 J-159和J-47膠黏劑夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能Tab.3 Flexural property of sandwich constructions of J-159 and J-47

由結(jié)果分析可知，采用J-159 和J-47 膠黏劑的夾層結(jié)構(gòu)在室溫和100 ℃條件下彎曲性能相當。采用J-47 膠黏劑的夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能在100 ℃之后就開始明顯衰減，到150℃時彎曲強度40 MPa，相對于室溫性能保持率約為16%；而采用J-159膠黏劑的夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能在130 ℃之后才開始明顯衰減，到150℃時彎曲強度為145 MPa，相對于室溫性能保持率約為56%。夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能的快速衰減是由于膠黏劑材料特性發(fā)生變化造成的，J-159 膠黏劑轉(zhuǎn)變點在130 ℃之后，J-47 膠黏劑轉(zhuǎn)變點在100 ℃之后，這與膠黏劑材料本身的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)。

2.4 J-159膠黏劑真空揮發(fā)性能

J-159 膠黏劑在真空環(huán)境下總質(zhì)量損失（TML）為0.606%，可凝揮發(fā)物（CVCM）為0.022%，其真空揮發(fā)性能滿足航天器對非金屬材料的指標要求，具體測試結(jié)果和指標見表4。

表4 J-159膠黏劑真空條件下?lián)]發(fā)性能Tab.4 Outgassing performance of J-159 in vaccum

2.5 J-159膠黏劑耐帶電粒子輻照性能

J-159 膠黏劑輻照前、后的拉伸剪切性能和夾層結(jié)構(gòu)90°剝離性能測試結(jié)果見表5。

表5 J-159膠黏劑耐帶電粒子輻照性能Tab.5 Anti-charged particle radiation performance of J-159

由結(jié)果分析可知，在經(jīng)過帶電粒子輻照后，J-159 膠黏劑在室溫條件下的拉伸剪切性能保持率為106%，夾層結(jié)構(gòu)90°剝離性能保持率為98%，這說明J-159 膠黏劑分子鏈間結(jié)合力較強，在帶電粒子作用下化學鍵斷裂情況和內(nèi)部缺陷產(chǎn)生較少，具備一定抵抗輻照的能力，可以維持材料本身宏觀力學性能。

2.6 基板典型件耐熱真空循環(huán)性能

圖2 為熱真空循環(huán)試驗后基板典型件狀態(tài)。由結(jié)果可知，兩者的貼膜面均未發(fā)現(xiàn)氣泡、褶皺、凸起等表觀缺陷，同時采用無損探傷對面板與蜂窩膠接質(zhì)量進行檢測，也均未發(fā)現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，這表明J-159板-芯膠黏劑的力學性能和工藝性經(jīng)受住了150℃高溫真空循環(huán)試驗。此外，檢測聚酰亞胺薄膜與基板之間絕緣電阻，均大于10 MΩ；采用刀口尺及塞尺對基板平面度檢測，均小于0.1 mm∕100 mm×100 mm，這說明采用J-159板-芯膠黏劑的碳纖維網(wǎng)格面板基板和碳纖維復合材料面板基板典型件的各項指標均滿足150℃太陽翼基板的應用要求。

圖2 熱真空循環(huán)試驗后的基板狀態(tài)Fig.2 The state of the substrates after the thermal vaccum cycle test

3 結(jié)論

（1）J-159 膠黏劑在150℃下的拉伸剪切強度相對于室溫性能保持率約為89%，夾層結(jié)構(gòu)90°剝離強度保持率約為58%，夾層結(jié)構(gòu)的彎曲強度保持率約為56%，均遠高于J-47膠黏劑。

（2）J-159 膠黏劑的真空總質(zhì)量損失為0.606%，可凝揮發(fā)物為0.022%；經(jīng)歷1.36×106rad（Si）劑量輻照后拉伸剪切性能和夾層結(jié)構(gòu)90°剝離性能保持率均大于98%，滿足航天器對非金屬材料真空揮發(fā)性能和耐帶電粒子輻照性能的要求。

（3）采用J-159膠黏劑制備的兩種剛性基板典型件均經(jīng)受住150℃的高溫真空循環(huán)試驗，外觀質(zhì)量、膠接質(zhì)量及電絕緣、平面度均滿足基板產(chǎn)品的應用指標要求，能夠滿足太陽翼基板耐150℃及以下空間環(huán)境的使用需求。