航天薄膜材料力學(xué)性能評價(jià)及誤差分析研究

　　通過(guò)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(gè)角度，對空間環(huán)境下薄膜材料力學(xué)性能退化試驗的誤差來(lái)源及影響進(jìn)行了研究，并得出以下結論：通過(guò)選用邊緣光滑無(wú)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據、控制薄膜拉伸方向與長(cháng)度方向或薄膜平面方向的夾角小于8° 以及控制試驗參數等措施可以有效降低薄膜材料的力學(xué)性能拉伸誤差。其中，當薄膜拉伸方向與長(cháng)度方向或薄膜平面方向的夾角小于8° 時(shí)，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(cháng)度方向的夾角的正切函數。

　　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(gè)重要發(fā)展方向。輕型展開(kāi)結構具有成本低廉、存儲體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠實(shí)現傳統結構很難達到的性能，從而成為空間研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

　　航天器展開(kāi)結構主要應用在大型天線(xiàn)、遮光罩、大型太陽(yáng)能電池帆板、太陽(yáng)帆等大型航天器上，薄膜材料是該結構的重要組成部分。同時(shí)，薄膜材料也是航天器熱控系統-外露熱控涂層的主要基體材料。然而，由于長(cháng)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(xué)性能可能會(huì )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了破裂，并由宇航員出艙修復。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為有必要加強航天器薄膜材料的力學(xué)性能評價(jià)研究。

　　與國外相比，國內的研究剛剛開(kāi)展，尚缺乏對其性能退化及機理的系統研究。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(xué)性能測試，以及試驗參數控制等角度，研究誤差可能對力學(xué)性能評價(jià)試驗帶來(lái)的影響，并給出控制措施。

1、誤差來(lái)源

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

2、誤差分析

　　針對航天薄膜材料力學(xué)性能評價(jià)中可能引入誤差的來(lái)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(xué)性能拉伸樣品制備進(jìn)行了規定，但薄膜材料試驗樣品在加工過(guò)程中，可能存在切割邊緣的毛刺、微裂口等，會(huì )引起拉伸過(guò)程中從有毛刺的地方斷裂，從而導致拉伸出現巨大的誤差。

　　(2)薄膜本身微觀(guān)結構

　　在生產(chǎn)聚合物薄膜時(shí)，宏觀(guān)上由于薄膜軋制方向不同，微觀(guān)上聚合物的分子鏈排列和延伸的方向也不同。這可能會(huì )導致薄膜在不同方向上物理和化學(xué)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(xué)性能帶來(lái)方向性影響。

　　(3)空間環(huán)境試驗參數

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

　　(4)拉伸測試參數

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

4、結論

　　通過(guò)以上分析可知，航天薄膜材料樣品加工質(zhì)量、薄膜本身微觀(guān)結構、空間環(huán)境試驗參數、拉伸測試參數等可對其力學(xué)性能評價(jià)帶來(lái)影響，為此，可采取以下措施：

　　(1)采用光學(xué)照明放大鏡或其他手段，檢測并剔除邊緣有毛刺等微觀(guān)缺陷的樣品;

　　(2)為了消除薄膜的各向異性對力學(xué)性能的影響，薄膜樣品沿相同的方向進(jìn)行拉伸，建議拉伸方向為分子主鏈延伸方向的垂直方向;

　　(3)應該采用拉伸試驗后中間斷裂的薄膜樣品的拉伸數值;

　　(4)應將薄膜拉伸方向與長(cháng)度方向之間的傾角控制在8°以?xún)�，此時(shí)，力學(xué)性能誤差小于1%;

　　(5)當薄膜拉伸方向與薄膜平面方向存在夾角時(shí)，也應將薄膜拉伸方向與長(cháng)度方向的夾角控制在8°以?xún)�，此時(shí)，抗拉強度誤差也是小于1%。剪切力/拉力的比值隨傾角的增大而增大，當傾角為6°時(shí)，其比值約為0.1;

　　(6)根據航天器在軌環(huán)境及理論分析，選取合適的地面模擬試驗參數如加速倍率、試驗溫度等，并進(jìn)一步開(kāi)展試驗參數對薄膜材料力學(xué)性能退化的影響研究。