国产高模量碳纤维抗真空紫外辐照性能试验研究

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1、第30卷第4期航天器环境工程2013年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGnqEERJNG397国产高模量碳纤维抗真空紫外辐照性能试验研究陈维强1，张玉生1，(1．北京卫星制造厂，北京100190；2黎昱1，彭得群2，吴晓宏2哈尔滨工业大学应用化学系，哈尔滨150001)摘要：通过地面模拟试验研究了真空紫外辐照对国产BHM3高模量碳纤维质量损失率的影响，并采用扫描电子显微镜(sEM)、原子力显微镜(AFM)和x射线光电子能谱(xPs)仪对辐照前后的样品进行微观分析。结果表明，随着真空紫外辐照剂量增加，碳纤维质损率呈现先增加后平缓现象

2、，质量损失率较少；紫外辐照作用前后碳纤维表面形貌和元素组成基本未变，说明其具有良好的抗紫外辐照性能。关键词：真空紫外辐照；高模量碳纤维；质量损失；表面形貌；元素组成；地面试验研究中图分类号：V259：T0342+．7文献标志码：A文章编号：1673—1379(2013)04—0397一04DoI：10．396形j．issn．1673一1379．2013．04．011航天器在轨期间会受到真空、紫外、带电粒子、热循环、原子氧等环境因素作用【l。5J，使其表面材料性能退化，尤其真空紫外辐照对有机材料损伤较大。紫外辐照在太阳总辐射能中所占比例很小，但其影响

3、不可忽视：紫外作用于材料表面，将导致材料内的分子产生光致电离和光致分解效应，进而可能会引起航天器表面高分子的活化以及化学键的断裂【¨11】。美国NASA的LDEF试验平台和俄罗斯“和平号”空间站的搭载试验结果表明，在低地球轨道空间环境中，真空紫外辐照对无保护层的聚合物材料具有极强的破坏作用：试样的颜色会发生改变，并有明显的质量损失和析气现象发生【121。碳纤维具有比强度和比模量高、耐腐蚀能力强、尺寸稳定性好及热膨胀系数低等优点，作为航空、航天增强树脂基结构材料，在卫星结构、反馈天线、精密光学仪器及飞机结构件中获得大量应用。本文采用地面模拟技术研究国

4、产BHM3高模量碳纤维对真空紫外辐照环境的适应性，掌握其在真空紫外辐照环境下的质量损失率，以及表面组成、形貌和微观结构的变化规律，为国产碳纤维在航天器复合材料结构上的应用提供依据。l试验材料和方法1．1试验材料试验材料为国产BHM3高模量碳纤维。1．2试验方法按照行业标准QJ1558—1988《真空中材料挥发性能测试方法》规定，在紫外辐照环境模拟设备上进行碳纤维材料的性能测试。辐照光谱为真空紫外谱段，辐照波长范围10～200nm，≯70mm范围内辐照不均匀度≤10％。在辐照前及曝辐照度达到100ESH、200ESH、500ESH和1000ESH(E

5、SH为等效太阳小时)时，分别对材料进行性能测试。1．2．1碳纤维质损率测量采用Sanorius公司的MC2S高精度微量天平进行质量损失测量，测量精度为10’5g。分别测量辐照前后试样的质量，每个试样测量6次，取平均值后按以下公式计算质损率：蚴。。。=[(％一M)／^q×100％。(1)式中：％为真空紫外辐照前试样的质量，g；M为真空紫外辐照后试样的质量，g。1．2．2表面形貌分析采用日立公司的S．570型扫描电镜(SEM)观察碳纤维表面裂纹、附着物、微孔分布等形貌和收稿日期：2013．05．18；修回日期：2013．07．08基金项目：航天创新基金

6、重点项目(编号：CASC200906)作者简介：陈维强(1975一)，男，硕士学位，高级工程师，主要从事卫星复合材料结构的研制以及国产高模量碳纤维的评价工作。E-mail：chenwq．529@163．com。航天器环境工程第30卷组织结构。采用InstmmentsNanoscoDeIIIAtomic进行原子力显微镜(AFM)分析，利用其三维高分辨能力分析紫外辐照前后碳纤维表面微观形貌的变化。1．2．3表面化学组成及分布分析利用英国VG公司的ESCALABMKII型X射线光电子能谱(XPS)仪研究碳纤维表面元素组成及其价态，针对碳纤维材料的给定点进

7、行定性或半定量分析其表面化学组成变化。使用的分析室真空度为2．4×10击Pa，用C1。284．6eV作能量校准。2结果与讨论(a)辐照前(b)200EsH辐照后(c)1000ESH辐照肝图2真空紫外辐照前后BHM3高模量碳纤维表面2．1真空紫外辐照对碳纤维质损率的影响。．．F1口，试验测得的真空紫外辐照对BHM3高模量碳纤维质损率的影响如图1所示。由图可见，随着紫外曝辐照度的增加，质损率呈现先增长后趋于平缓的趋势。辐照初期真空紫外辐照对碳纤维有微量质损影响，这是因为碳纤维表面含有的很少量的表面附着物、残留溶剂、上浆剂等率先挥发。当曝辐照度达到500

8、ESH后，碳纤维的质损率上升到0．075％后趋于平缓，表明此时碳纤维对紫外辐照不再敏感，表面附着物、残留溶剂等已挥发殆尽。