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        深空探測(cè)用柔性太陽(yáng)毯的制備及性能

        2021-12-04 09:42:56武海生田桂芝吳躍民
        宇航材料工藝 2021年5期

        武海生 田桂芝 吳躍民 徐 挺 劉 佳

        (1 北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京 100094)

        (2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

        文 摘 面向我國(guó)深空探測(cè)任務(wù)用新型柔性太陽(yáng)毯,開(kāi)展了柔性復(fù)合材料制備工藝技術(shù)、性能評(píng)價(jià)研究。結(jié)果表明,采用模壓聚酰亞胺纖維增強(qiáng)有機(jī)硅橡膠柔性復(fù)合材料,能夠滿足柔性太陽(yáng)毯需求。自動(dòng)涂膠工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高黏度硅橡膠均勻薄涂在聚酰亞胺薄膜表面。對(duì)比測(cè)試表明,硅烷偶聯(lián)劑能夠提高柔性太陽(yáng)毯的T剝離強(qiáng)度,但使其低溫柔韌性下降。

        0 引言

        小行星、木星等地外行星探測(cè),面臨低光照強(qiáng)度、低溫空間環(huán)境,其太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不足地球的15%,甚至更低。為了提供足夠能源,通常需要為探測(cè)器配置超大面積太陽(yáng)翼,以彌補(bǔ)弱光照條件。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)2011年8月成功發(fā)射的木星探測(cè)器“朱諾號(hào)”配置了星形分布的三套剛性蜂窩夾層構(gòu)型太陽(yáng)翼,單套太陽(yáng)翼尺寸達(dá)8.9 m×2.7 m,但在木星附近也只能提供約400 W 功率。隨著我國(guó)深空探測(cè)任務(wù)的推進(jìn),探測(cè)器功率需求日益提升,受火箭運(yùn)載能力及幾何包絡(luò)限制,傳統(tǒng)剛性∕半剛性、柔性太陽(yáng)翼在質(zhì)量、展開(kāi)-收攏面積比、結(jié)構(gòu)剛度等方面技術(shù)劣勢(shì)凸顯,將難以滿足需求;而采用柔性太陽(yáng)毯構(gòu)型的新型柔性太陽(yáng)翼則具有相應(yīng)優(yōu)勢(shì),美國(guó)原Orbital ATK 公司研發(fā)的超柔性(UltraFlex∕MegaFlex)太陽(yáng)翼是典型代表之一,其功率∕質(zhì)量比能夠達(dá)到100 W∕kg,是國(guó)際空間站安裝的傳統(tǒng)柔性太陽(yáng)翼的3 倍以上[1-5],見(jiàn)圖1。從文獻(xiàn)[6]可知,國(guó)外UltraFlex 毯體采用的是Vectran 聚芳酯纖維織物浸漬絕緣硅橡膠,見(jiàn)圖2。

        圖1 Orbital ATK公司研發(fā)的UltraFlex超柔性太陽(yáng)翼Fig.1 Ultra-flexible solar wing developed by Orbital ATK

        圖2 Ultra-flex毯體照片F(xiàn)ig.2 Photo of Ultra-flex blanket developed by Orbital ATK

        本文面向我國(guó)深空探測(cè)任務(wù)用新型柔性太陽(yáng)毯,借鑒國(guó)外研制情況,采用柔性復(fù)合材料,從制備工藝技術(shù)、性能評(píng)價(jià)等方面開(kāi)展研究,擬形成典型產(chǎn)品構(gòu)型選項(xiàng),為相關(guān)探測(cè)任務(wù)提供參考。

        1 原材料

        柔性太陽(yáng)毯結(jié)構(gòu),主要用來(lái)安裝、支撐太陽(yáng)能電池片及其電路部分,根據(jù)初步構(gòu)型設(shè)計(jì),新型柔性太陽(yáng)毯采用超薄片體構(gòu)型,需要滿足空間低溫環(huán)境(-130∽-190 ℃)下90°、180°大曲率多次折展,并與機(jī)構(gòu)連接、張緊的功能需求,見(jiàn)圖3。

        圖3 柔性太陽(yáng)毯外形剖面示意Fig.3 Outline profile of flexible solar blanket

        根據(jù)需求分析,太陽(yáng)毯體結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用高性能纖維增強(qiáng)柔性高分子基體材料形成柔性復(fù)合材料。增強(qiáng)纖維、高分子基體材料的彈性模量均不宜太高,而二者之間的結(jié)合強(qiáng)度或膠接強(qiáng)度、復(fù)合后的拉伸強(qiáng)度要足夠,且二者耐空間環(huán)境性能要滿足要求。借鑒國(guó)外相關(guān)研究,基于目前國(guó)內(nèi)宇航領(lǐng)域的材料應(yīng)用情況,形成了柔性太陽(yáng)毯體選材名錄,見(jiàn)表1。

        表1 柔性太陽(yáng)毯材料選項(xiàng)表Tab.1 Material options for flexible solar blanket

        從拉伸強(qiáng)度、模量以及體密度方面看,聚酰亞胺纖維是增強(qiáng)纖維最優(yōu)選項(xiàng),其材質(zhì)具有較好的耐空間環(huán)境性能,此外較Vectran 纖維,聚酰亞胺纖維為國(guó)產(chǎn),原材料來(lái)源自主可控。另一方面,石英纖維盡管力學(xué)性能有差距,但是具有成本優(yōu)勢(shì),而且在介電性能方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

        柔性高分子基體方面,有兩個(gè)選項(xiàng),根據(jù)太陽(yáng)毯產(chǎn)品對(duì)低溫柔性的需求可知,高分子基體的Tg越低越好,因此有機(jī)硅橡膠是優(yōu)先的選項(xiàng)。硅橡膠具有優(yōu)良的耐高低溫、耐紫外線、耐輻照、絕緣等性能,廣泛用于航天、航空、電子等領(lǐng)域[7-8]。另一方面,有機(jī)硅橡膠屬于惰性材料,與各種增強(qiáng)纖維的界面匹配性能較差,是影響最終柔性復(fù)合材料性能的重要因素之一。

        圖4 是仿國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品,采用進(jìn)口Vectran 纖維網(wǎng)格織物浸漬單組份有機(jī)硅橡膠制備的太陽(yáng)毯試件。從試件表觀、室溫彎折特性,以及耐大曲率、多次彎折性能看,硅橡膠能夠滿足柔性太陽(yáng)毯體的功能需求。

        圖4 Vectran纖維增強(qiáng)柔性環(huán)氧太陽(yáng)毯體試件Fig.4 Solar blanket specimen of Vectran fiber reinforced flexible epoxy resin

        2 工藝選型

        太陽(yáng)毯體,為大面積二維薄片體構(gòu)型,設(shè)計(jì)采用單層聚酰亞胺薄膜、單層聚酰亞胺纖維織物,通過(guò)有機(jī)硅橡膠復(fù)合而成,見(jiàn)圖5。從構(gòu)型看,主要由兩種成型工藝方法:?jiǎn)纹綇?fù)合和卷對(duì)卷連續(xù)復(fù)合(Roll to Roll),單片式靈活性強(qiáng)、工藝代價(jià)低,卷對(duì)卷工藝效率高、性能一致性好,但設(shè)備裝置復(fù)雜、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、代價(jià)高,因此優(yōu)選單片式復(fù)合工藝。

        圖5 太陽(yáng)毯體構(gòu)型剖面Fig.5 Profile of flexible solar blanket structure

        單片式復(fù)合工藝,根據(jù)纖維織物構(gòu)型不同,具體可采用正交纏繞復(fù)合工藝,以及成品纖維平紋織物模壓復(fù)合工藝。實(shí)際制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn),由于聚酰亞胺等有機(jī)纖維彈性模量較低,采用纏繞工藝時(shí),纖維容易回彈,導(dǎo)致網(wǎng)格尺寸偏差嚴(yán)重,參見(jiàn)圖6(a),因此,采用成品纖維平紋織物模壓復(fù)合工藝,是柔性太陽(yáng)毯體的理想工藝選項(xiàng)之一,參見(jiàn)圖6(b)。

        圖6 兩種單片式復(fù)合工藝Fig.6 Two monolithic processes

        纖維平紋織物復(fù)合,主要是將單層聚酰亞胺薄膜、單層聚酰亞胺纖維織物,通過(guò)有機(jī)硅橡膠膠接一體。太陽(yáng)毯體對(duì)面密度均勻性要求高,其面密度影響因素包括,聚酰亞胺織物面密度、聚酰亞胺薄膜的面密度,以及有機(jī)硅橡膠的施膠面密度,前二者由于是商品化產(chǎn)品,面密度精度在±5 g∕m2以內(nèi),因此,影響太陽(yáng)毯體面密度及其均勻性的關(guān)鍵在于有機(jī)硅橡膠的施膠面密度及其均勻性。

        制定復(fù)合工藝流程如圖7所示。選擇在聚酰亞胺膜表面均勻涂覆有機(jī)硅橡膠,一方面可以通過(guò)控制硅橡膠涂覆厚度實(shí)現(xiàn)施膠面密度控制,另一方面復(fù)合固化時(shí),干態(tài)聚酰亞胺纖維織物能夠提供足夠透氣通道,確保硅橡膠充分浸漬聚酰亞胺纖維織物。

        圖7 太陽(yáng)毯體復(fù)合工藝流程Fig.7 Manufacturing process flow of solar blanket

        根據(jù)太陽(yáng)毯體設(shè)計(jì)狀態(tài),有機(jī)硅橡膠的涂覆厚度需控制在(0.05~0.08)mm,單次涂覆面積接近5 m2,而有機(jī)硅橡膠的表觀黏度較大,為(80~100)Pa·s,保證如此大面積均勻涂膠厚度是工藝難點(diǎn)。

        選擇刮膠涂覆工藝實(shí)現(xiàn)該工序環(huán)節(jié),借助專(zhuān)用涂膠設(shè)備,通過(guò)設(shè)備刮刀推動(dòng)高黏度有機(jī)硅橡膠在聚酰亞胺薄膜表面形成均勻厚度的膠層。圖8 是大面積聚酰亞胺薄膜表面絲網(wǎng)涂膠后的照片,從圖中可以看出,膠層顏色均勻,實(shí)測(cè)多塊涂膠后聚酰亞胺薄膜,計(jì)算涂膠面密度為(85±10)g∕m2,表明膠層厚度比較均勻,能夠滿足太陽(yáng)毯體設(shè)計(jì)要求,確保與聚酰亞胺織物復(fù)合后結(jié)合牢固。

        圖8 大面積聚酰亞胺薄膜絲網(wǎng)涂膠實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 Photo of large-area adhesive coating on polyimide film by silk-screen printing

        3 性能評(píng)價(jià)

        3.1 常溫力學(xué)性能

        按照《膠粘劑T剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法撓性材料對(duì)撓性材料GB∕T2791—1995》,制備太陽(yáng)毯體試件,并測(cè)試其常溫抗剝離性能,評(píng)價(jià)有機(jī)硅橡膠對(duì)聚酰亞胺薄膜∕聚酰亞胺織物的膠接性能,見(jiàn)圖9。

        圖9 太陽(yáng)毯體T剝離試件Fig.9 T-peel specimen of flexible solar blanket

        試件包括兩種狀態(tài):(1)聚酰亞胺薄膜∕聚酰亞胺織物∕有機(jī)硅橡膠;(2)聚酰亞胺薄膜(硅烷偶聯(lián)劑處理)∕聚酰亞胺織物(硅烷偶聯(lián)劑處理)∕有機(jī)硅橡膠。

        3.2 耐低溫性能

        太陽(yáng)毯體在低溫下保持結(jié)構(gòu)彎折柔性,是其重要服役功能需求。將太陽(yáng)毯體試件置于液氮(-196 ℃)中,90°反復(fù)彎折200 次,考察其抗彎折柔韌性。試驗(yàn)后取出,恢復(fù)至室溫,觀察其折痕處結(jié)構(gòu)完整情況,見(jiàn)圖10。

        圖10 液氮溫度下200次彎折后試件狀態(tài)Fig.10 Specimen of solar blanket after 200 times bending in LN2

        3.3 結(jié)果討論

        太陽(yáng)毯試件性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 太陽(yáng)毯試件性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 T-peel strength of solar blanket specimens

        從表2 可知,采用硅烷偶聯(lián)劑處理過(guò)聚酰亞胺膜、聚酰亞胺織物,對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)毯試件T 剝離強(qiáng)度更高些,但是由于硅烷偶聯(lián)劑難以在聚酰亞胺織物中分布均勻,導(dǎo)致T剝離強(qiáng)度波動(dòng)性較大。

        另一方面,采用硅烷偶聯(lián)劑處理的太陽(yáng)毯試件,由于在膠接界面形成了一層脆性偶聯(lián)層,常溫下太陽(yáng)毯試件的表觀柔性下降,試件整體變得直挺;經(jīng)歷-196 ℃下200 次彎折后,毯體試件產(chǎn)生了輕微折痕,見(jiàn)圖10(b)。而未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的太陽(yáng)毯試件經(jīng)歷-196 ℃下200 次彎折后,試件結(jié)構(gòu)完整,未產(chǎn)生目視可見(jiàn)異常。

        4 結(jié)論

        (1)采用有機(jī)硅橡膠作為基體,低模量纖維作為增強(qiáng)體,制備出柔性復(fù)合材料,能夠滿足柔性太陽(yáng)毯制備需求。國(guó)產(chǎn)聚酰亞胺纖維是優(yōu)選增強(qiáng)纖維之一,石英纖維具有成本優(yōu)勢(shì)。

        (2)刮膠涂覆工藝,能夠?qū)崿F(xiàn)高黏度硅橡膠大面積均勻薄涂,有效調(diào)控柔性太陽(yáng)毯的低面密度及力學(xué)性能。

        (3)硅烷偶聯(lián)劑能夠提高硅橡膠基柔性太陽(yáng)毯體的抗剝離性能,但是低溫柔韌性有所下降。

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