锦纶材料空间环境适应性研究

2021-03-19张文博

宇航材料工艺 2021年6期

隋蓉蒋伟张文博

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

随着航天技术的发展，越来越多的柔性非金属材料应用到航天器上，柔性结构具有可折叠，质量小，展开面积、体积大，可以实现传统刚性结构无法企及的某些功能［1］。织物材料作为典型的柔性结构材料，在空间柔性可展开结构中有着广泛的应用。锦纶作为常用的合成纤维柔性材料其具有成本低、工艺性能稳定、应用范围广的特点在宇航任务中多次使用［2］，随着航天活动范围的拓展，锦纶材料的应用范围逐渐拓展至环境条件更为苛刻的空间环境领域［3］，且面临长期在轨的任务需求。本文介绍了锦纶材料在空间环境使用的空间环境适应性评价指标，针对空间环境应用特点，规划并实施了空间环境适应性评价试验。

1 空间环境评价指标

航天器材料的空间环境适应性是其区别于其他材料的一项重要特性［4-6］。对于在空间环境使用的各种宇航材料及元器件，针对其使用环境开展空间环境适应性研究是必要的［7-8］。锦纶材料在空间中的应用环境可分为航天器舱内密闭空间环境、舱外环境［9］。舱内环境的特点为密闭、非真空及无原子氧、紫外辐照。随着载人航天技术的不断发展，舱内环境还需要考虑人员生命安全的问题。出于航天器在轨运行安全性考虑，航天器需要所用材料具有阻燃性能；为了使航天器的安全防火设计和实施提供依据，需要考察材料燃烧后产物种类和数量、产烟特性。此外，为了对航天器的有害气体控制和实施提供依据，需要对逸出有害气体情况进行评价，对于长寿命航天器在轨使用材料，则需要考虑材料寿命因素对逸出有害气体的影响。在舱内环境使用时，织物材料的抗菌防霉特性也是材料在空间环境应用的一个重要评价指标。对于舱外环境，其环境特点为真空、高低温交变、电离辐射、紫外辐照与原子氧等共存［10-14］。为了综合评价锦纶材料在空间环境中的应用，针对舱门、舱外环境的特点及航天任务的需求，从燃烧性能、逸出有害气体、真空质损、真空可凝挥发物、抗菌防霉、原子氧、紫外辐照、交变温度、电离辐射9 个方面通过试验的方式评价锦纶材料在空间环境中的使用性能。

2 空间环境适应性评价研究

本文所选的材料为K59321 锦丝绸，是一种在航空、航天领域广泛使用的锦纶材料，该材料制造原丝为锦纶66。由北京邦维公司生产，执行技术标准Q/WFWF—005—1995。在锦纶材料中具有代表性，试验结果可作为其他锦纶材料应用的参考。

2.1 地面状态阻燃试验

地面状态阻燃试验依据HB5470—2014 测试要求和HB5469—2014 实验方法进行，试验设备为HVFAA 燃烧箱，火焰温度为850℃，试件预处理温度为20～21 ℃，湿度为48～52%，预处理时间为24 h，分别进行了12 s 垂直燃烧试验和15 s 水平燃烧试验。试验结果见表1表2。

“现在产品下高速到市场5分钟就可以卖货了。”李文明说。从长沙绕城高速公路干杉收费站到长沙黄兴海吉星国际农产品物流园1.5公里，5分钟即可到达。交通发达了，走高速公路，产品进来快，出去快，还能享受绿色通道政策优惠。“过去批1块钱1斤的蔬菜，现在7毛钱可以批，蔬菜批发价格比马王堆蔬菜批发市场时相比下降30%，主要是量做上来了。”谈及高速公路对他生意的助益，李文明赞不绝口。

表1 K59321锦丝绸12 s垂直燃烧试验数据情况Tab.1 12 second ignition vertical test of K59321

表2 K59321锦丝绸15s水平燃烧试验数据情况Tab.2 15 seconds horizontal ignition test of K59321

空间中的带电粒子辐射主要成分由质子、电子和各种离子，可能会对航天器材料造成辐射损伤，为了考察锦纶材料的抗电离辐射性能，开展锦纶材料的电离辐射试验。锦纶在经过最大剂量为9 666 rad的辐射后测量其力学性能（断裂强力和断裂伸长率）的损失情况见图2。

2.2 地面状态燃烧产物试验

地面状态燃烧产物试验，试验依据HB/Z277—1995 测试要求和HB7066—1994 实验法方法进行试验，试验设备为SD-1-C-X 型烟密度箱，试验温度为20～21℃，湿度为48%～52%，预处理时间为24 h，热流量为2.5 W/cm2，箱体温度为35 ℃。试验结果如表3所示，燃烧产物远低于HB/Z277—1995 标准要求，可满足空间环境的使用。

随机选取2016年9月～2018年9月在我院接受手术治疗的患者96例作为研究对象，其中，普外科手术42例、骨科手术33例，妇科手术21例，对以上所有患者的临床资料开展回顾性分析。将其随机分为两组，各48例。其中，对照组在手术过程中实施常规化护理，男29例，女19例，年龄17～74岁；观察组在手术过程中实施舒适化护，男25例，女23例，年龄21～77岁。两组患者的一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。

表3 K59321锦丝绸燃烧产物试验Tab.3 Combustion products test of K59321

2.3 逸出有害气体试验

本次试验将按上述两种试验指标分别进行独立原子氧、独立紫外辐照、原子氧与紫外辐照协同试验。试验全程采取控温措施，将温度控制在50 ℃以下，以消除热效应的附加影响。子样设置方面，按每组试验设置4个子样，考虑到试验后便于协同试验与独立试验的对比分析及对材料强力的影响趋势分析，并设置空白对照组（不进行原子氧和紫外辐照）。试验共分为7组，具体试验工况见表8。

K59321锦丝绸逸出有害气体试验脱出总有机物检测结果如表4 所示。对于空间在轨长期使用的锦纶材料，考虑采用两种不同生产日期的材料进行试验，试验时间为2018年11月，两种材料在试验时的储存时长寿命分别为3 个月、6年，结果可知，材料脱出总有机物均满足总体指标要求，新材料的逸出有害气体表现更优。两种生产日期的材料均未见有CO 气体脱出。气味评价满足≤1.5 级的要求。试验结果充分证明在逸出有害气体指标方面，K59321 材料空间环境适应良好。

表4 两个生产日期的K59321逸出有害气体试验结果Tab.4 Hazardous gas test results of K59321 from 2 prduction dates

2.4 真空中材料质量损失及可凝挥发物试验

原子氧和紫外辐照是空间环境中对材料性能影响显著的两个因素。在200～700 km低地球轨道上同时存在原子氧环境和紫外辐照环境，大量飞行试验和地面模拟试验结果表明，原子氧和紫外环境是造成低地球轨道航天器用表面材料退化的主要原因［15-16］。

球虫病主要危害雏鸡，感染球虫后土鸡的肠壁细胞被破坏，不仅肠道出血，还会影响多种营养物质的吸收，病鸡生长发育缓慢，产蛋减少，雏鸡发病率死亡率高，病愈雏鸡生长滞后，抵抗力低，易患其他疾病，给养殖户造成巨大的经济损失。

航天器在轨运行期间其表面温度会呈现交替变化的特点，为了研究锦纶材料在高低温交变环境下的力学特性，开展锦纶材料交变温度循环试验。温度循环循试验工况定为-70～100 ℃。温箱的升/降温速度为3 ℃/min。试验参考《航天器热控涂层试验方法第8 部分：热循环试验》（GJB 2502.8—2015）进行，热循环次数300次。每40 min经历一次高低温循环。试验设置空白对照组。温循试验后与空白对照组对比，从断裂强力随温循次数的变化曲线来看（图1），断裂强力受温循次数影响小，几乎无变化。

表5 K59321真空质损和可凝挥发物试验结果Tab.5 Vacuum mass loss and condensable volatiles of K59321 %

K59321 可补偿质量损失（RML）为0.28%，K59321 锦丝绸总质量损失中大部分是水汽，约占总质量损失部分的87.6%，其余部分仅约占12.4%。由于K59321 锦丝绸由聚酰胺纤维经过整径-织造-染色-定型等一系列工艺过程加工而成。织物材料吸湿性是其普遍特性，锦纶材料的公定回潮率约为4.5%。织物材料一旦放置在真空环境中，水份会被释放掉，因此，不同于金属材料和其他固体类非金属材料，织物材料因含湿量大，依据可能挥发物测量结果，可认为锦纶材料有极低的真空污染特性。

2.5 抗菌防霉材料试验

锦丝绸抗菌性能测试依据《纺织品抗菌性能的评价》第3 部分：振荡法进行；防霉性能依据《军用装备实验室环境试验方法》第10 部分：霉菌试验（GJB150.10A-2019）进行。选用金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌菌种作为试验菌种。

针对这部分老人，刘主任给出建议，“在遇到家庭矛盾时，应多与孩子沟通，毕竟子女孙儿都是亲生的。家庭不和谐，别说旅行，做什么都会不开心的啊！亲情为上，根据家庭具体情况，量力而为，达成一致意见是很有必要的。”

表6 抗菌性能试验结果Tab.6 Antimicrobial performance test results

表7 防霉性能试验结果Tab.7 Anti-fungal performance test results

2.6 原子氧、紫外辐照试验

真空中材料质量损失试验依据《真空中材料挥发性能测试方法》（QJ1558）进行，样品恒温恒湿24 h，温度23 ℃，相对湿度50%；样品真空放气24 h，试验温度为75 ℃，真空度为7 mPa，收集板凝结温度为25 ℃。将锦纶材料制备成试样，在恒温恒湿箱中存放24 h 后，放入样品舟中。在真空中均匀加热放有试样的样品舟，使试样出气，出气分子沉积到维持恒定温度的收集板上，通过称量此过程前后放有试样的样品舟的质量变化，经过计算获得总质量损失（TML），并通过称量测试前后收集板质量的变化，经过计算获得收集的可凝挥发物（CVCM）。本方法还可将测试后的试样重新经恒温恒湿存放后，再次称量试样质量，得到水汽回吸量（WVR）。真空中材料质量损失试验结果如表5 所示。考虑到可凝挥发物是对航天器产品污染的主要因素，就K59321 锦丝绸材料而言，由于收集的可凝挥发物实测结果很小，因此可认为K59321 锦丝绸不会对外界设备造成危害，真空污染性极低。

K59321 锦丝绸的抗菌性能试验结果如表6 所示，防霉性能试验结果如表7 所示，在舱内环境使用的航天产品，直接暴露在舱内的纺织品材料对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抑菌率需大于等于70%，或对白色念珠菌的抑菌率需大于等于60%。试验结果表明，锦纶材料对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的抑菌率达到90%以上，长霉等级优于或等于1 级，抗菌防霉性能表现出友好的空间环境适应性。

原子氧、紫外辐照试验实施中，分别设计不同试验指标进行对比试验。试验指标以低轨道空间站在轨运行为背景，空间站在轨飞行15 d 原子氧注量为2.06×1024/m2、在轨飞行24 d 原子氧注量3.29×1024/m2；紫外辐照度为81.3 W/m2。

关于逸出有害气体试验的实验内容包含逸出有害气体检测试验、气味评价试验和脱出一氧化碳试验。气味评价试验时封入60 %的氮气，加热50 ℃，加热时间72 h。并在室温条件下进行了气味评价试验，试验通过在1 L 容器内放置50 mL 蒸馏水，在23 ℃条件下放置24 h，通过嗅辨原进行气味测试。脱出一氧化碳试验时封入3 L 的氮气容量至5 L 的采样袋中，加热至50 ℃，加热时间为72 h，将CO测试仪器的探头伸入被加热好的气体容器中直接测出其浓度。

表8 试验组工况介绍Tab.8 Working conditions of the test group

试验件力学性能通过特纺材料拉力试验机测试。试验件经过原子氧紫外辐照后强度均有所下降，按均值分析，以空白对照组作为参考，计算试验件在环境试验后断裂强力的下降比例，见表9。试验结果表明，在经历单一紫外辐照与单一原子氧环境后，锦纶材料的断裂强力均有明显的下降。而原子氧与紫外辐照的协同作用对锦纶材料力学性能的破坏效果大于单因素作用效果，分析造成这一现象的原因是紫外辐照破坏材料化学键，而化学键的断裂为原子氧的侵蚀提供了通道，加速了原子氧与锦纶材料的氧化反应［15］。

表9 试验件断裂强力下降比例Tab.9 Percentage decrease of test piece breaking strength %

2.7 交变温度

对EP（D）M产品而言，重要的不单是几个主要指标参数（如门尼黏度、乙烯含量、第三单体含量和充油份数）的变化范围要窄，Keltan也通过积极参加相关标准委员会（如荷兰标准制定组织NEN，国际标准化组织ISO，美国试验材料学会ASTM等）及其相关会议，持续探索最适合的测试方法。近年来，Keltan在开发EP（D）M化学组成及支化度等测试上作出了非常突出的贡献。

图1 断裂强力平均值随温循次数变化曲线Fig.1 Variation of average breaking strength with temperature cycle number

2.8 电离辐射

试验结果表明，K59321锦丝绸的阻燃性能良好，可满足空间环境的使用高要求。

强化大局意识。军民融合是国家发展战略，是必须长期坚持的一项基本国策。要切实强化军地各级、各部门“讲融合就是讲政治、抓融合就是抓建设、促融合就是促发展”的大局意识，充分认清军民融合是协调推进“四个全面”战略布局的重大举措，自觉打破狭隘的本位主义、部门利益和个人利益的束缚，切实把国防和军队建设融入经济社会发展体系，确保“四个全面”各项任务落到实处。