航天薄膜材料力學性能評價及誤差分析研究

2014-11-17 沈自才北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所

　　通過理論分析與試驗研究，從薄膜材料、樣品加工、拉伸試驗及模擬試驗四個角度，對空間環(huán)境下薄膜材料力學性能退化試驗的誤差來源及影響進行了研究，并得出以下結(jié)論：通過選用邊緣光滑無毛刺的樣品、拉伸方向為分子主鏈延伸方向的垂直方向、采用中間斷裂樣品的拉伸數(shù)據(jù)、控制薄膜拉伸方向與長度方向或薄膜平面方向的夾角小于8° 以及控制試驗參數(shù)等措施可以有效降低薄膜材料的力學性能拉伸誤差。其中，當薄膜拉伸方向與長度方向或薄膜平面方向的夾角小于8° 時，抗拉強度的誤差小于1%，橫向剪切力/拉力的比值為薄膜拉伸方向與長度方向的夾角的正切函數(shù)。

　　引言

　　在有限的運載能力條件下，充分提高航天器的效能，是航天器研制工作的一個重要發(fā)展方向。輕型展開結(jié)構(gòu)具有成本低廉、存儲體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難達到的性能，從而成為空間研究和開發(fā)的熱點。

　　航天器展開結(jié)構(gòu)主要應用在大型天線、遮光罩、大型太陽能電池帆板、太陽帆等大型航天器上，薄膜材料是該結(jié)構(gòu)的重要組成部分。同時，薄膜材料也是航天器熱控系統(tǒng)-外露熱控涂層的主要基體材料。然而，由于長期直接暴露在航天器表面，薄膜材料受到空間環(huán)境綜合作用的威脅，其力學性能可能會發(fā)生退化甚至失效。哈勃太空望遠鏡的表面熱控薄膜出現(xiàn)了破裂，并由宇航員出艙修復。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認為有必要加強航天器薄膜材料的力學性能評價研究。

　　與國外相比，國內(nèi)的研究剛剛開展，尚缺乏對其性能退化及機理的系統(tǒng)研究。文章對目前航天器上廣泛采用的聚酰亞胺(PI)薄膜，以質(zhì)子輻照地面模擬試驗研究為對象，從材料自身性能、樣品加工、力學性能測試，以及試驗參數(shù)控制等角度，研究誤差可能對力學性能評價試驗帶來的影響，并給出控制措施。

1、誤差來源

　　在航天器用薄膜材料空間環(huán)境力學性能退化研究過程中，由于薄膜材料自身性質(zhì)、試驗參數(shù)等原因，可對其宏觀性能分析帶來影響。造成航天薄膜材料力學性能評價的誤差來源主要有：(1)薄膜材料樣品加工質(zhì)量;(2)薄膜本身微觀結(jié)構(gòu);(3)空間環(huán)境試驗參數(shù);(4)拉伸測試參數(shù)。

2、誤差分析

　　針對航天薄膜材料力學性能評價中可能引入誤差的來源，分析如下：

　　(1)薄膜材料樣品加工質(zhì)量

　　國標GB13022-91《塑料、薄膜拉伸性能試驗方法》對薄膜材料的力學性能拉伸樣品制備進行了規(guī)定，但薄膜材料試驗樣品在加工過程中，可能存在切割邊緣的毛刺、微裂口等，會引起拉伸過程中從有毛刺的地方斷裂，從而導致拉伸出現(xiàn)巨大的誤差。

　　(2)薄膜本身微觀結(jié)構(gòu)

　　在生產(chǎn)聚合物薄膜時，宏觀上由于薄膜軋制方向不同，微觀上聚合物的分子鏈排列和延伸的方向也不同。這可能會導致薄膜在不同方向上物理和化學性質(zhì)不同。以美國杜邦公司為代表的高端制造企業(yè)采用雙向拉伸工藝，但薄膜在經(jīng)緯向均一性仍存在一定差異，從而可對其力學性能帶來方向性影響。

　　(3)空間環(huán)境試驗參數(shù)

　　薄膜材料空間環(huán)境效應試驗參數(shù)的選取對其力學性能有著較大影響，一方面，在空間環(huán)境效應地面模擬試驗過程中，若采用過高的加速倍率，可能會對薄膜材料的力學性能拉伸帶來較大的影響[9];另一方面，溫度的選擇可對試驗結(jié)果帶來較大的差異，這主要是由于溫度可造成薄膜材料分子結(jié)構(gòu)或鍵能發(fā)生一些變化。

　　(4)拉伸測試參數(shù)

　　薄膜材料在拉伸試驗過程中，拉伸速率可能對薄膜的力學性能測試結(jié)果帶來影響。同時，如果拉伸試驗裝置上下夾具不在一個平面上，或者樣品拉伸方向有一定的傾斜角度等，也會對力學性能的拉伸帶來誤差。