空间带电粒子辐照与预应力耦合作用对功能形面薄膜结构性能影响研究①

成正爱,柳 青,冯展祖,汪 晨,黄小琦,王 立

(1.钱学森空间技术实验室,北京 100094;2.兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室,兰州 730000;3.南京林业大学,江苏 210037)

0 引言

空间大尺度薄膜航天器是航天技术发展的一个重要方向如图1 所示,典型代表有超大型薄膜天线[1]、折叠式超大面积反射镜[2]、大型薄膜太阳电池阵[3]以及太阳帆[4]、空间望远镜防热屏[5]等。 采用折叠展开的大面积功能形面结构是此类航天器的基本特征。 结构多采用聚酰亚胺薄膜[6],尺寸从数米至百米不等,厚度仅几微米,通过折叠展开的方式进行在轨部署,为满足热控、通信、聚光、成像与能量传输等功能,结构需要通过预应力来维持形面,来保证较高的形面精度和结构基频。

图1 空间大尺度薄膜航天器Fig.1 Space large-scale thin film spacecraft

目前大量研究证明空间辐射环境是导致薄膜性能退化的重要因素,随着在轨服役时间薄膜的光学、力学性能均有不同程度的下降[7-12]。 但针对预应力场与空间辐射环境共同作用下聚酰亚胺薄膜材料的性能退化规律的研究少见报道。 有学者针对带电粒子与应力场共同作用下的聚酰亚胺性能损伤开展了研究,指出了预应力加载对带电粒子辐照下聚酰亚胺薄膜材料的性能退化存在促进作用[13-14],有必要开展进一步研究。 同时如何通过建立耦合作用下聚酰亚胺薄膜材料性能的演化模型,定量评估功能形面薄膜结构的性能变化对功能形面薄膜结构的长寿命可靠性设计至关重要。

1 预应力作用下聚酰亚胺薄膜材料的电子辐照试验

1.1 试验条件

采用CASINO 软件针对12.5 μm 薄膜结构对电子辐照地面试验的辐照能量和条件进行了仿真计算。 图2 为电子的入射路径及深度,可以看出40 keV 电子入射薄膜材料后射程几乎全部在材料厚度以内,故选择40 eV 作为电子辐照试验能量。 而预应力取值参考ADEOS-1 电池阵的薄膜基底的预应力1.6 MPa,为更好的研究耦合作用中预应力的作用规律,增加研究五倍作用即8 Mpa 预应力载荷,通过进行不同预应力下的电子地面辐照试验,得到在一定能量的带电粒子辐照与预应力共同作用下,聚酰亚胺薄膜材料样品的力学性能退化规律。

图2 使用CASINO 软件计算40 keV 电子入射深度分布示意图Fig.2 Electron incidence depth distribution by CASINO

1.2 试验过程

试验样品材料为12.5 μm 聚酰亚胺薄膜,将试样裁制成GB13022—1991《塑料薄膜拉伸性能试验方法》标准中Ⅳ型10 mm×100 mm 长条状试样。 试验采用吊装砝码的方式,对薄膜样品进行预应力的加载,分别对样品施加0,1.6 Mpa,8 Mpa 单向拉伸预应力。

利用电子枪在真空环境中对薄膜材料进行能量为40 keV 的电子辐照试验,为体现同样低能电子能量下,不同辐照注量、不同预应力下聚酰亚胺薄膜材料的性能退化过程,最高注量为1×1015cm-2,中间设2.5×1014cm-2,5×1014cm-2,7.5×1014cm-2,1×1015cm-2四个注量,共五个性能测试点,每个测试点三个样品。

图3 电子辐照实验示意图Fig.3 Electron irradiation experiment

辐照测试后对样品进行拉伸试验、XRD、红外等测试,对预应力与电子辐照耦合作用下的力学性能分析其损伤机理。

2 带电粒子辐照与预应力耦合作用下聚酰亚胺薄膜材料性能退化规律及损伤机理

2.1 带电粒子辐照与预应力耦合作用下聚酰亚胺薄膜材料性能退化规律

将聚酰亚胺薄膜样品在预应力载荷与电子耦合场作用后进行力学拉伸测试,将得到的抗拉强度、弹性模量、断裂伸长率随注量的演化曲线而变化,与单独辐照情况下的演化曲线进行比较,如图4、图5 所示。

图4 不同预应力工况下聚酰亚胺抗拉强度随注量演化曲线对比Fig.4 Evolution of polyimide tensile strength with fluence under different prestressing

图5 不同预应力工况下聚酰亚胺弹性模量随注量演化曲线对比Fig.5 Evolution of polyimide elastic modulus with fluence under different prestressing

不同预应力载荷下,聚酰亚胺薄膜样品的抗拉强度和弹性模量随着辐照注量的增加均呈下降趋势。 在预应力耦合作用下,随着预应力的升高,数值上较单独辐照的样品均有微小的提升。 从注量1×1015cm-2下的数值来看,相比于辐照单独作用的样品,样品施加8 Mpa 应力后,辐照样品的抗拉强度由115.7 Mpa 提高了约4.5%至120.9 Mpa,弹性模量由 2 961.9 Mpa 提高 13.4% 至 3 358.8 Mpa。 上述退化规律按二次曲线进行拟合,得到弹性模量按函数y=-0.627 4x2-25.803x+3 686.4 进行退化。

耦合作用下,材料的伸长率随着辐照注量的增加同样呈下降趋势如图 6 所示。 由 1. 6 Mpa和8 Mpa 预应力下曲线对比可见,随着预应力的增大薄膜样品的伸长率是不断降低的,且8 Mpa 预应力下伸长率的下降趋势相对减缓。 即在耦合作用的影响下聚酰亚胺薄膜的韧性变得更差,材料更易变脆,从而导致伸长率的降低,但在辐照注量增大至1×1015cm-2时,在数值上没有明显区别。

图6 不同预应力工况下断裂伸长率随注量演化曲线对比Fig.6 Evolution of elongation with fluence under different prestressing

2.2 带电粒子辐照与预应力耦合作用下聚酰亚胺薄膜材料损伤机理

2.2.1 耦合场作用聚酰亚胺XRD 分析

针对辐照后薄膜样品,主要研究5×1014cm-2、1×1015cm-2两组注量下,0,1.6 Mpa,8 Mpa 三组谱图的对比。 从图7 中可以发现,5×1014cm-2和1×1015cm-2辐照剂量下的聚酰亚胺薄膜都主要呈现出包状衍射峰,以010 晶面为主,但峰并不是很尖锐,这说明材料内部分子链以无序排列为主。 在辐照剂量为5×1014cm-2时,随着应力的增强,衍射峰基本重合,说明此辐照剂量电子辐照和应力的耦合作用并未对样品内部分子链的排列方式造成明显的影响。 在辐照剂量为1×1015cm-2时,随着预应力的增强,可以发现010 晶面峰强有轻微的增加,代表了预应力和电子辐照共同作用下,聚酰亚胺薄膜内部分子链沿着010 晶面方向的择优取向有一定程度的增加,但并没有形成非常尖锐的峰,说明分子链取向效果有限。

图7 聚酰亚胺在电子辐照不同应力下的XRD 谱图Fig.7 XRD spectrum of polyimide after electron irradiation under different stress

2.2.2 耦合场作用聚酰亚胺红外分析

针对辐照后薄膜样品的红外图谱如图8 所示可以看出,在5×1014cm-2和 1×1015cm-2电子辐射注量下, 选择苯环的吸收峰作为标准峰, 计算1 720 cm-1处酰亚胺环上羰基的对称伸缩振动吸收峰、1 500 cm-1酰亚胺环上C-N 键的伸缩振动吸收峰、1 370 cm-1醚键的吸收峰以及725 cm-1处的酰亚胺环的弯曲振动吸收峰,与苯环吸收峰峰值的比值,如表1 所列,当样品加载了8 Mpa 预应力时,各特征峰峰强均有轻微的降低。

图8 聚酰亚胺薄膜在电子辐照不同应力下的红外谱图Fig.8 Infrared spectrum of polyimide after electron irradiation under different stress

同时预应力给聚酰亚胺薄膜样品带来的影响来自于预应力带来材料内部分子链排列的改变。 受电子辐照后的聚酰亚胺样品,内部的C—C 键、C—N键、苯环上的C=C 等会发生断裂产生自由基并发生复合反应。 因为施加预应力的作用,非择优取向的分子链减少,而择优取向的分子链会有一定的增多,结合已有研究显示材料内部自由体积的改变会使自由基之间的复合变得更为容易,所以施加预应力辐照样品的自由基的含量相比于只受到辐照的样品自由基含量略低。 从表1 可以看出,在电子辐照应力场耦合作用下聚酰亚胺样品中各特征峰的峰强相比未加载预应力样品的各峰峰强有微弱的降低。 这种情况是由于在预应力作用下,材料内部自由基含量降低,材料表面的粗糙度增加,造成表面散射效应的增强,两者的共同作用导致吸收峰的减弱。

表1 5×1014 cm-2、1×1015 cm-2 注量下各峰峰值与苯环峰值的比值Tab.1 Ratio of each peak value to the peak value of benzene ring under fluence 5×1014 cm-2、1×1015 cm-2

带电粒子辐照会导致材料内部基团在辐照作用下发生分子链断裂,材料辐照的表面辐照区发生类石墨化转变。 而预应力加载导致的分子链择优取向以及内部体积改变使自由基含量降低,或是弹性模量、抗拉强度等参数对比于未施加预应力样品有微弱上升的趋势。

3 功能形面薄膜预应力结构性能演化评估

3.1 功能形面薄膜建模

本文选取了太空发电站太阳光收集与转化系统中的电池子阵结构为功能形面的研究对象,子阵整体尺寸为26.5 m× 6 m,主要结构由桁架、柔性支撑结构以及聚酰亚胺薄膜基底三部分组成,构型如图9 所示。

3.2 空间带电粒子辐照对预应力功能形面性能的影响评估

将通过试验测试得到的退化规律引入材料退化模型,对电池子阵结构的基频、光压力下的应力分布、型面精度的演化情况进行仿真计算。 分析过程如图10 所示,计算开始时首先设置预应力条件,接着分析预应力作用下的结构平衡状态,分析过程中膜材料弹性模量取初始数值。 此后对材料参数进行循环迭代,每次计算开始时利用场变量对膜材料的弹性模量进行重设,以模拟膜材料在预应力与电子辐照耦合作用下的退化过程。 重设弹性模量之后进行平衡迭代分析,计算膜材料弹性模量折减后模型的固有频率和振型,以及光压力下的型面精度及应力分布,各分析中均考虑了结构的大变形问题。

图10 分析流程图Fig.10 Analysis flow chart

有限元模型的一阶模态如图11 所示,表现为柔性支撑结构反对称弯曲的整体振型。 随着膜材料弹性模量退化,结构一阶固有频率的变化曲线如图12所示,呈缓慢降低趋势。 当膜材料弹性模量退化时,计算得到薄膜阵面实际平均应力下降导致整体结构的固有频率同比降低。 膜材料弹性模量退化8.8%,结构一阶固有频率下降0.08%,变化幅度较弱。

图11 一阶模态振型Fig.11 First-order mode

图12 一阶固有频率及平均应力随电子辐照注量退化的变化规律Fig.12 Evolution of the first-order frequency and mean stress with the degeneration of electron irradiation fluence

电池阵结构在轨服役过程中由于对日定向,电池阵面持续受到光压力作用,故对预应力薄膜阵面施加9.12×10-6Pa 的面压力。 预应力电池子阵模型在光压力载荷下的应力分布如图13 所示,除与柔性支撑边框连接处有少量应力集中之外,薄膜的应力分布较为均匀,通过求取薄膜阵面的平均应力,来掌握薄膜结构的应力状态随辐照导致性能退化的变化趋势。

图13 电池子阵模型在光压力载荷下的应力云图Fig.13 Stress distribution of sub-array under light pressure

从图13 中可以看到受光压力载荷的薄膜结构平均应力在5 ~6 Mpa 左右,且随着电子辐照的注量增加,薄膜材料弹性模量不断下降,膜上的实际平均应力同比降低了8.36%。

取整个薄膜的法向位移进行了平面度计算,得到平面度变化情况。 如图14 所示,平面度随着薄膜材料弹性模量的下降而上升了约20%,即随着聚酰亚胺薄膜性能的退化整体结构的平面度有升高变差的趋势。

图14 平面度随电子辐照注量退化的变化规律Fig.14 Evolution of the RMS with the degenerationof electron irradiation fluence

4 结论

从实验结论来看,材料性能退化总体趋势不变,各项参数均随着辐照注量增加而不断下降。 但相比于单独辐照作用的样品,预应力耦合作用下样品最终的抗拉强度提高了约 4. 5%, 弹性模量也有13.4%的上升,断裂伸长率下降不明显,虽影响不强,但可见抗拉能力的微弱提升以及可见的韧性下降变脆的倾向。 初步考虑是因为在预应力作用下,分子链的有序化导致薄膜材料化学键断裂产生自由基的含量略微变低,进而体现在宏观性能上的变化。 将耦合作用下的退化规律引入空间太阳能电站电池子阵的性能评估,通过仿真计算得到,对于预应力作用下的功能形面薄膜结构,随着辐照剂量的增加,结构基频变化幅度较弱,但平面度升高了20%。 形面精度的变差对本文中有较强支撑结构的太阳电池阵影响不大,但柔性较大的薄膜天线等结构的基频变化会更加敏感,同时形面精度的退化会对天线精度造成影响,需要在长期在轨运行任务中考虑预应力及空间环境的耦合影响。