太阳帆表面薄膜空间电子辐照性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国空间技术研究院 作者:黄小琦

  太阳帆是十分有利于深空探测的一种新型飞行器,帆面采用超轻薄的薄膜材料,提高飞行器的推进性能。帆面材料长期暴露在空间,由于长期受到空间粒子辐射环境的影响,性能发生退化影响在空间的应用。研究空间电子与薄膜相互作用的机理,分析电子沉积剂量,通过地面模拟不同剂量的空间电子辐照环境,对辐照后新型超薄帆面材料力学性能的研究,满足太阳帆在空间应用要求。结果表明: 超薄聚酰亚胺薄膜材料,在厚度及辐照力学性能得到了较大的突破,但断裂伸长率仍需提升,电子辐照后性能略有下降,耐辐照性能也需进一步提高。

引言

  太阳帆航天器是利用太阳在大面积薄膜上的反射光压提供航天器飞行动力的新型飞行器。其可以在太阳光压作用下持续加速,十分有利于深空探测。太阳帆的结构质量要尽可能轻,即太阳帆面薄膜需采用超轻薄材料,才能最大程度提升太阳帆的推进性能。由于帆面薄膜材料长期暴露在空间中,受空间粒子辐射环境的影响性能发生退化,影响了太阳帆在空间运行的可靠性。

  空间粒子辐射环境主要来自地球辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线等,其成分是质子、电子及少量重离子。电子作为主要成分,对材料的性能影响最显著。针对8 μm 厚的新型超薄聚酰亚胺薄膜材料,研究电子与薄膜材料相互作用机理,进行了电子沉积剂量的分析,通过对地面模拟电子辐照实验,研究材料力学性能变化的规律,确定薄膜材料能否满足空间太阳帆应用需求。

电子辐照能量

  电子与靶物质的相互作用主要有电离能量损失和辐射能量损失。入射电子穿过靶物质时,使靶原子电离和激发,将一部分能量转移给核外电子,产生电离损失。电子质量轻,入射电子与靶原子核发生非弹性碰撞时,速度和方向会发生很大的改变,产生的电磁辐射称为轫致辐射。

  电子垂直入射到一定厚度的介质中时,与介质发生弹性碰撞、非弹性碰撞、散射等物理过程,逐渐将能量转移给介质,沉积在介质中或穿透介质,电子在无限厚介质平板中的最大射程可由weber 的经验由公式( 1) 表示为:

太阳帆表面薄膜空间电子辐照性能研究

  式中: Ee为电子能量; R 为入射电子在介质中的最大射程; α = 0. 55 g·cm - 2·MeV - 1 ; β = 0. 9841; γ =3 MeV - 1 ; ρ 表示材料的密度。

  通过进一步分析,当电子能量为Ee = 20 keV时,超薄聚酰亚胺密度ρ = 1. 37 g /cm3,代入公式( 1) 计算得到电子最大射程R = 8 μm,此时入射电子基本都沉积在8 μm 厚的聚酰亚胺薄膜内。

结束语

  (1) 空间电子辐射对超薄聚酰亚胺主要产生材料辐射总剂量效应。辐射环境下,聚酰亚胺的共价键( C - C 键和C - H 键) 被激发或被电离,产生不可逆的化学反应,其物理性能和化学性能都会发生退化,影响材料的性能和寿命;

  (2) 超轻超薄材料是太阳帆表面薄膜未来的发展趋势,新型聚酰亚胺薄膜在膜厚度上取得了突破,且辐照前材料的弹性模量和拉伸强度均满足空间使用要求,但材料的断裂伸长率有待提高,电子辐照后试样力学性能有一定程度的下降,材料的抗辐照能力也需在现有基础上进一步提升;

  (3) 电子辐照聚酰亚胺薄膜会造成薄膜表面电子聚集,材料表面电位提高,对材料性能产生一定影响,另外电子辐照过程中的温度效应并未考虑,应在以后开展进一步的研究。

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