均苯型聚酰亚胺薄膜在质子辐照下的力学性能退化试验研究

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1、第29卷第3期航天器环境工程2012年6月SPACECRAFTENVIRONMENTENGlNEER【NG315均苯型聚酰亚胺薄膜在质子辐照下的力学性能退化试验研究张帆2，沈自才2，冯伟泉1一，(1．可靠件与环境工程技术重点实验室；2郑慧奇2丁义刚1,2赵春晴2北京甲星环境工程研究所：北京100094)摘要：聚酰亚胺薄膜广泛应用于航天器热控结构和太阳帆等充气展开结构中，由于暴露在航天器表面，受到各种空间环境效应的影响，其力学性能会发生退化。文章对不同通量、注量和温度条件下质子辐照对均苯型聚酰亚胺薄膜力学性能的影响进行了模拟试验研究。研究发现，当质

2、子通量较低时，质子通量的增加对薄膜力学性能的影响微弱；'-3质子通量持续增加，薄膜的抗拉强度和断裂伸长率呈近似线性下降；当质子注量增加到一定程度后，薄膜的抗拉强度和断裂伸长率下降速率变缓；薄膜在低温辐照下比在高温辐照下更容易发生脆性断裂。关键词：均苯型聚酰亚胺薄膜；质子辐照；力学性能；模拟试验中图分类号：04842：05721文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)0：3—0315-05DoI：10．3969／j．issn．1673一1379．2012．03．0160引言薄膜材料广泛应用于航天器热控结构及太阳帆等充气展开结构中，由于

3、长期暴露在航天器表面，受到各种空间环境效应的影响，其力学性能可能会发生退化。国内外的科研人员均对此展开了研究。Joyce等人¨J对“哈勃”太空望远镜长期暴露于空间环境后绝缘层表面的TeflonFEP二次表面镜薄膜出现破裂的现象进行研究发现，随着暴露时间的增加，薄膜的力学性能发生了退化。Stuckcy等人【2]对充气展开结构的候选薄膜材料进行了模拟空问辐照试验，评价其力学性能的退化情况。其中均苯型聚酰亚胺薄膜是太阳帆等充气展开结构的重要备选材料，其力学性能退化将直接影响充气展开结构功能的实现。．Ferl等人13J对薄膜的力学性能退化进行了微观机珲分

4、析。与国外相比，国内的相关研究还比较少。沈自才等人【4J对远紫外辐照下航天器薄膜材料的力学性能进行了研究。空间辐照环境中的质子环境是引起薄膜材料力学性能退化的重要因素之一。地球同步轨道航天器寿命可长达15a，环境中低能质子通量大，且在薄膜材料中沉积能量较多，凶此有必要对低能质子对薄膜力学性能的影响进行研究。本文采用地面模拟试验对质子辐照对均苯型聚酰亚胺薄膜的力学性能影响进行了研究，对试验结果作了初步理论分析。1试验准备1．1辐照试验参数确定为准确地模拟质子辐照效应，试验选取的质子能量应该较真实地反映质子在材料中的剂量一深度分布。具体参数根据SRI

5、M软件模拟计算结果结合试验设备能力确定。用SRIM2000软件计算质子在均苯型聚酰亚胺薄膜中的阻止本领及射程。先计算得到质子的电子阻止截面和核阻止截面，从而得到靶原子对质子的总阻止截面S，eV·cm2／00”atom)，即可依据公式P：!：!兰兰!13(1)埘2计算得到靶原子对质子的总阻止本领P，eV·cm2／g。式(1)中：S的大小与质子能量有关；M2为靶原子质量，g。收稿日期：2012．02．28；修回日期：2012—05．23基金项目：国家自然科学基金“空间辐射环境下薄膜材料力学性能退化规律与机理”(项目编号：41174166)作者简介：张

6、帆(1986一)，女，硕士研究生，研究方向为空间综合辐照环境及其效应。E．mail：zfan—sail@yahoo．com．cn。j尘

7、-————————————————-堕丞墨墅撞三垂复12鲞材料的吸收剂量D为1．2样品制备D=Px圣×1．6x10叫4md，(2)式中∞为质子注量，D／cm2。能量为局。的质子的射程R为R：felldEcm,(3)yE、P?j式中：岛为积分起始能量，一般取1ev；Elo为质子能量，eV：P为靶材密度，g，cm3。可见质子在材料中的剂量一深度分布与其注量和能量这两个参数有关。在确定试验用质子能量前，首先根据地球同步

8、轨道AP8质子模型及高温等离子体模型，应用SRIM2000软件计算出GEO5a轨道环境中的质子在聚酰亚胺材料中的剂量一深度分布。然后模拟计算地面不同能量的质子在聚酰亚胺材料中的剂量一深度分布，通过改变质子注量和能量这两个参数使得拟合的曲线尽可能接近GEO曲线。拟合的剂量一深度分布曲线与GEO5a实际对应的剂量一深度分布关系见图1。潦麈^皿7图1拟合的不同能量质子剂量一深度分布与GEO在轨5a实际的剂量一深度分布关系Fig．1Thefitteddose·depthprofilesofseveralenergyprotonsandtheirprofi

9、lesin5yearsinGEO由图1可以看出，能量越高的质子其剂量一深度分布关系与GEO5a质子的实际剂量一深度分布关系越接近。结合辐