PVDF薄膜在空间碎片撞击监测中的应用研究

孔凡金，王建民，刘武刚，刘振皓

(北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100076)

0 引言

目前，人类共有的太空开发使用环境发展正因为太空碎片而变得阻滞；减小空间碎片的危害从而使人类的太空环境能够长期地可持续发展，具有极其重要的意义[1]。随着空间碎片的不断增加，将不可避免产生空间碎片撞击事故，航天器的安全、宇航员的生命保障等工作显得尤为重要和迫切。研究空间碎片撞击航天器的在轨感知、定位、损伤模式识别，以及对空间碎片参数获取技术，可以为航天器的在轨健康监测、系统修复、宇航员逃生决策制定等提供服务支持[2]。为了应对空间碎片对航天器的威胁，国内外先后提出了多种空间碎片在轨感知系统技术方案，包括：声发射技术、加速度信号检测法、热量测定技术、光纤撞击传感器技术、PVDF压电阵列测定技术等[3]。在诸多的技术中，基于PVDF压电薄膜的阵列式撞击感知定位技术，由于其一系列优点而越来越多的应用空间碎片探测中，其优势包括：

(1)阵列式的直接定位方式，原理上定位精度稳定可靠，且定位精度不受靶标的破损影响。

(2)薄膜响应速度快，脉冲上升时间可以达到几十ns，在撞击粒子着靶时间测量上具有先天的优势。

(3)抗毁伤效果好，只有存在电联通就可以有效感知，可承受多次撞击。

(4)采用压电原理，无功耗，性能稳定可靠。

当前，PVDF薄膜已经在伊卡洛斯太阳帆[4-5]、SPADUS探测器[6-7]上得到了应用，中科院空间科学与应用研究中心[8-9]、哈尔滨工业大学[10]等也开展了相关的应用研究。但是，国外的研究中，PVDF薄膜主要用于微米级别的尘埃计数，而国内研究则多是在地面常温环境中开展的原理性验证，对空间高低温、真空等环境下的大碎片撞击下的研究还未开展。

本文围绕PVDF薄膜在大尺寸空间碎片撞击监测中的应用，研制了遥控的穿孔装置，用于模拟大尺寸碎片撞击时的去极化效应，研究了PVDF薄膜在高低温环境下的去极化信号特征以及经历热真空循环后的性能变化规律等，为未来的大尺寸空间碎片撞击监测应用奠定了基础。

1 PVDF薄膜不同环境下的去极化效应试验

1.1 PVDF薄膜的去极化效应

PVDF薄膜即聚偏二氟乙烯膜(polyvinylidene fluoride)，是一种高分子压电材料。用PVDF薄膜作为探头对空间碎片撞击进行探测，其物理本质是测量碎片撞击PVDF膜产生的电荷信号。一片高速空间碎片撞击在传感器探测器表面，将在表面产生一个撞击孔，这个撞击孔面积内的PVDF材料被撞击时将产生去极化效应。去极化效应的响应时间(ns 级)，要远比PVDF 薄膜的压电响应时间要短，因而，PVDF 压电薄膜除了压电效应产生电信号外，还将产生一个高电流脉冲信号[11]。获取和处理这个快电荷脉冲信号，即可获得碎片高速撞击的相关信息。

由于去极化效应产生的电荷量与PVDF的极化强度和弹孔面积有关，在进行一维近似后其电荷计算公式可近似为

ΔQ=PA

(1)

式中：P为PVDF薄膜的极化强度，取为4～6 μC/cm2[12]；A为穿孔面积，cm2。

1.2 试验系统

为研究PVDF薄膜在不同环境下的去极化效应信号特征及变化规律，搭建了去极化效应试验系统，如图1所示。

图1 去极化效应试验系统

试验系统分别采用低温环境试验箱、热真空试验舱等环境模拟装置模拟PVDF薄膜在空间环境中经受的高低温环境和真空环境。为方便模拟PVDF薄膜被空间碎片击穿的过程，研制了一种可远控的电磁穿孔装置。电磁穿孔装置如图2所示，主要包括穿孔机构和控制面板。装置共安装8个由电磁铁驱动的穿孔杆，采用交流电磁作为激励源，可实现远程的按键式的激励控制，实现对PVDF薄膜的打孔，可在不调整PVDF薄膜情况下连续进行8次穿孔试验。这种设计，使得穿孔机构可放置于模拟空间高低温环境的温箱中，通过外部控制面板进行穿孔操作，实现PVDF薄膜高低温环境下的去极化信号研究。

图2 电磁远控穿孔装置

试验件采用常规形式的PVDF薄膜传感器，即在PVDF薄膜的上下表面溅射形成金属薄膜电极，PVDF薄膜产生的电荷信号可以通过金属薄膜电极及引线向后端电路导出。

由于去极化效应产生的信号为高频电荷信号，需要利用电荷放大器将其转换为电压信号进行采集。当前的商用电荷放大器的适用频率上限较低，以奇士乐(KSL)的电荷放大器为例，对于200 kHz的正弦信号，经调理后的信号相较原信号衰减达30%以上，目前还没有适用于MHz以上频率的商用电荷放大器。为适应高频信号的调理需求，研制了高频电荷放大器，如图3所示。同时，采用信号发生器+V/Q转换器+NI5105高速采集卡组成的系统对其进行了电荷放大系数和频响范围的标定，标定结果表明，电荷放大器的放大倍数为105pC/V，响应带宽达到5 MHz以上。

图3 高频电荷放大器

经电荷放大器调理后的电压信号通过数采系统采集，本试验的硬件采用NI5105板卡，采集模式为上升沿触发采集，由于电磁穿孔装置在电路开合瞬间存在较大的电磁干扰，在穿孔前会产生一个较大的瞬态脉冲噪声信号，恰好可作为触发信号。

1.3 试验过程

首先开展常温环境下的穿孔试验，用于研究常温下的去极化效应信号特征并作为后续规律研究基准，具体试验照片如图4所示。

图4 PVDF常温穿孔试验

常温去极化效应试验完成后，将状态相同的PVDF薄膜和电磁穿孔装置置于高低温环境试验箱中，进行了低温下的去极化效应信号特征研究。试验系统及试验完成后的试验件照片如图5所示。

(a)低温去极化效应试验系统

(b)试验后的试验件图5 低温去极化效应试验系统及试验后试验件

试验时，温度从-10 ℃开始每次降温10 ℃，直至-60 ℃，每待温度平衡后，通过对应的穿孔口进行一次穿孔，然后再降至下一温度，采用另一穿孔口进行穿孔，得到不同温度下的去极化效应信号。

完成上述试验后，进一步开展PVDF薄膜的空间环境耐受性试验。将PVDF薄膜置于热真空试验舱中进行热真空试验，试验系统如图6所示。试验中的真空度为mPa，高低温为70～100 ℃循环，每个温度循环持续4 h，循环10次，共持续120 h。循环完毕后取出PVDF薄膜，再次开展去极化效应试验，并与前期的去极化效应信号进行对比。

图6 热真空循环试验设备

2 PVDF薄膜不同环境下的去极化效应信号分析

大量常温环境下的去极化效应试验结果表明，穿孔引起的去极化效应信号基本一致。典型信号特征如图7所示，图7(a)为整个时间历程的信号特征，其中第一个脉冲是电磁敲击装置电路闭合时的电磁干扰，第二个脉冲是PVDF穿孔过程中的典型信号。从图7(b)典型信号的放大图中可看出，穿孔时的信号脉冲特征明显，信噪比高且无明显杂波。

(a)整体时间历程图

(b)信号放大图图7 典型穿孔信号特征

对历次穿孔获得的脉冲信号的峰值统计分析结果表明，穿孔时的峰值均值为2.73 V，样本总体的标准偏差0.26 V。其中，试验后穿孔直径的实测值约为4 mm，根据式(1)计算得到的去极化效应产生的电荷量约为5×10-7C。而根据高频电荷放大器的放大倍数及实测电压结果，试验测得的去极化效应产生的电荷量约为2.73×10-7C，约是理论值的50%。考虑到穿孔试验中电荷泄漏、参数误差等一系列不可控因素，试验结果处在合理范围内。

图8表示了信号峰值随温度的变化关系。从图8可看出，随着温度降低，穿孔信号峰值同时降低，并呈现加速降低趋势。试验结果表明，-50 ℃时PVDF薄膜仍能够输出有效的去极化效应信号，不过信号量级显著降低，信号衰减至常温下的40%。

图8 信号峰值随温度的变化

经历真空高低温循环后，PVDF常温下的去极化效应信号如图9所示。信号峰值约为2.47 V，与初始信号基本特征一致，PVDF可以耐受真空mPa，-100～70 ℃的空间环境。这有效降低了PVDF薄膜在空间应用中对温控系统的要求，即当PVDF薄膜处于非工作状态时无需进行温控，只在工作时才进行适当的温度控制，从而降低整体系统的功耗。

3 结论

常温环境下穿孔导致去极化效应，会产生一个明显的脉冲信号，信号噪声小，重复性较好。

去极化效应产生的电荷量与材料极化强度和弹孔面积成正相关，可通过理论计算进行估计。

PVDF薄膜的去极化信号随着温度的降低而降低，并且信号降低速度呈加速趋势。PVDF薄膜在-50 ℃时，信号衰减至常温下的40%左右。

验证了PVDF薄膜经热真空循环试验后仍具有可用性，性能较为稳定，这降低了对PVDF非工作时的热控要求。