航天薄膜材料力学性能评价及误差分析研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京卫星环境工程研究所 作者:沈自才

  通过理论分析与试验研究,从薄膜材料、样品加工、拉伸试验及模拟试验四个角度,对空间环境下薄膜材料力学性能退化试验的误差来源及影响进行了研究,并得出以下结论:通过选用边缘光滑无毛刺的样品、拉伸方向为分子主链延伸方向的垂直方向、采用中间断裂样品的拉伸数据、控制薄膜拉伸方向与长度方向或薄膜平面方向的夹角小于8° 以及控制试验参数等措施可以有效降低薄膜材料的力学性能拉伸误差。其中,当薄膜拉伸方向与长度方向或薄膜平面方向的夹角小于8° 时,抗拉强度的误差小于1%,横向剪切力/拉力的比值为薄膜拉伸方向与长度方向的夹角的正切函数。

  引言

  在有限的运载能力条件下,充分提高航天器的效能,是航天器研制工作的一个重要发展方向。轻型展开结构具有成本低廉、存储体积小、重量轻、可靠性高等优点,能够实现传统结构很难达到的性能,从而成为空间研究和开发的热点。

  航天器展开结构主要应用在大型天线、遮光罩、大型太阳能电池帆板、太阳帆等大型航天器上,薄膜材料是该结构的重要组成部分。同时,薄膜材料也是航天器热控系统-外露热控涂层的主要基体材料。然而,由于长期直接暴露在航天器表面,薄膜材料受到空间环境综合作用的威胁,其力学性能可能会发生退化甚至失效。哈勃太空望远镜的表面热控薄膜出现了破裂,并由宇航员出舱修复。因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为有必要加强航天器薄膜材料的力学性能评价研究。

  与国外相比,国内的研究刚刚开展,尚缺乏对其性能退化及机理的系统研究。文章对目前航天器上广泛采用的聚酰亚胺(PI)薄膜,以质子辐照地面模拟试验研究为对象,从材料自身性能、样品加工、力学性能测试,以及试验参数控制等角度,研究误差可能对力学性能评价试验带来的影响,并给出控制措施。

1、误差来源

  在航天器用薄膜材料空间环境力学性能退化研究过程中,由于薄膜材料自身性质、试验参数等原因,可对其宏观性能分析带来影响。造成航天薄膜材料力学性能评价的误差来源主要有:(1)薄膜材料样品加工质量;(2)薄膜本身微观结构;(3)空间环境试验参数;(4)拉伸测试参数。

2、误差分析

  针对航天薄膜材料力学性能评价中可能引入误差的来源,分析如下:

  (1)薄膜材料样品加工质量

  国标GB13022-91《塑料、薄膜拉伸性能试验方法》对薄膜材料的力学性能拉伸样品制备进行了规定,但薄膜材料试验样品在加工过程中,可能存在切割边缘的毛刺、微裂口等,会引起拉伸过程中从有毛刺的地方断裂,从而导致拉伸出现巨大的误差。

  (2)薄膜本身微观结构

  在生产聚合物薄膜时,宏观上由于薄膜轧制方向不同,微观上聚合物的分子链排列和延伸的方向也不同。这可能会导致薄膜在不同方向上物理和化学性质不同。以美国杜邦公司为代表的高端制造企业采用双向拉伸工艺,但薄膜在经纬向均一性仍存在一定差异,从而可对其力学性能带来方向性影响。

  (3)空间环境试验参数

  薄膜材料空间环境效应试验参数的选取对其力学性能有着较大影响,一方面,在空间环境效应地面模拟试验过程中,若采用过高的加速倍率,可能会对薄膜材料的力学性能拉伸带来较大的影响[9];另一方面,温度的选择可对试验结果带来较大的差异,这主要是由于温度可造成薄膜材料分子结构或键能发生一些变化。

  (4)拉伸测试参数

  薄膜材料在拉伸试验过程中,拉伸速率可能对薄膜的力学性能测试结果带来影响。同时,如果拉伸试验装置上下夹具不在一个平面上,或者样品拉伸方向有一定的倾斜角度等,也会对力学性能的拉伸带来误差。

4、结论

  通过以上分析可知,航天薄膜材料样品加工质量、薄膜本身微观结构、空间环境试验参数、拉伸测试参数等可对其力学性能评价带来影响,为此,可采取以下措施:

  (1)采用光学照明放大镜或其他手段,检测并剔除边缘有毛刺等微观缺陷的样品;

  (2)为了消除薄膜的各向异性对力学性能的影响,薄膜样品沿相同的方向进行拉伸,建议拉伸方向为分子主链延伸方向的垂直方向;

  (3)应该采用拉伸试验后中间断裂的薄膜样品的拉伸数值;

  (4)应将薄膜拉伸方向与长度方向之间的倾角控制在8°以内,此时,力学性能误差小于1%;

  (5)当薄膜拉伸方向与薄膜平面方向存在夹角时,也应将薄膜拉伸方向与长度方向的夹角控制在8°以内,此时,抗拉强度误差也是小于1%。剪切力/拉力的比值随倾角的增大而增大,当倾角为6°时,其比值约为0.1;

  (6)根据航天器在轨环境及理论分析,选取合适的地面模拟试验参数如加速倍率、试验温度等,并进一步开展试验参数对薄膜材料力学性能退化的影响研究。

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