航天薄膜材料力学性能评价及误差分析研究

沈自才，牟永强，张 帆

（北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点试验室，北京 100094）

0 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[1-5]，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[6]。因此，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[7]，国内的研究刚刚开展[8-9]，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[8]。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。

3 误差评估

3.1 样品加工质量带来的误差

根据国标GB13022-91《塑料、薄膜拉伸性能试验方法》，在薄膜材料力学性能研究过程中，可使用专用裁刀将薄膜裁制成15 mm×150 mm的长条型。但由于薄膜样品的切割边缘可能会存在毛刺等缺陷，成为拉伸过程中断裂的来源，进而会对其力学性能的测试带来误差。

因此，应该在薄膜样品加工完成后，利用照明放大镜等辅助工具，检测薄膜样品切割边缘的质量，剔除有毛刺等微观缺陷的样品。

3.2 薄膜各向异性带来的误差

由于聚合物薄膜生产轧制方向不同，微观上聚合物的分子链排列延伸的方向不同，沿各方向上的力学性能也可能有所不同。在力学性能测试中必须要考虑薄膜力学性能的影响。

对未辐照的PI薄膜（厚度为25μm）进行平行拉伸（y方向）和垂直拉伸（x方向）的对比试验，如图1所示，每组10个样品，取其试验结果的平均值作为最终结果，拉伸试验结果如表1所列。

图1 拉伸方向示意图

表1 垂直方向与平行方向拉伸试验结果对比

由表1可知，PI薄膜的抗拉强度，在沿着与轧制方向的平行方向拉伸结果要明显高于与轧制方向的垂直方向拉伸结果，其平行方向的抗拉强度比垂直方向的抗拉强度约高15%。从微观上可推测分子链主链延伸的方向是沿平行拉伸的方向即轧制方向。

假设平行方向的最大载荷拉力为F1，垂直方向的最大载荷拉力为F2，实际拉伸方向与平行方向的夹角为θ，且F1>F2，则理论上的拉力为：

薄膜拉力理论示意图如图2所示。

图2 薄膜拉力分析图

因此在薄膜材料力学性能拉伸试验中，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。

3.3 模拟试验误差

在开展空间环境下薄膜材料力学性能退化模拟试验过程中，试验参数的选取与控制是力学性能研究的重要环节，包括加速倍率的选取、辐照均匀性的控制、温度的选取与控制等。因此，有必要开展试验参数对薄膜材料力学性能的影响研究，提高试验参数监测的精确度和辐照的均匀性，以控制空间环境下薄膜材料的力学性能退化研究的误差。

以试验温度对聚酰亚胺（PI）薄膜材料力学性能影响研究为例，采用质子辐照总注量为5×1014p/cm2，通量为6.34×109p/cm2/s。分别在温度为-30℃、15℃和55℃下进行辐照，辐照后薄膜材料的抗拉强度和断裂伸长率变化如图3所示。

图3 温度对PI薄膜材料力学性能退化的影响

由图3中可知，在一定温度范围内，薄膜在高温时的抗拉强度和断裂伸长率大于低温辐照后的结果。说明薄膜在低温辐照的过程中比高温辐照时力学性能退化略微明显，低温辐照下更容易变脆、变硬、韧性下降。

以15℃温度下的质子辐照PI薄膜试验结果为参考基准，-30℃和55℃温度环境下，PI薄膜的抗拉强度的绝对误差分别为1.81%和3.8%，断裂伸长率的绝对误差分别为0.68%和0.81%。但在空间环境中，航天器经常处于高低温交变的环境中，高温和低温可达±200℃。因此还需要进一步研究极端高温、极端低温及高低温交变对薄膜力学性能的退化影响，尤其是极端低温对薄膜材料力学性能的影响。

3.4 薄膜材料拉伸试验误差

在薄膜材料拉伸试验过程中，可对其带来拉伸误差的主要有夹具应力误差、拉伸方向与薄膜样品存在角度以及上下夹具不在一个平面等。

3.4.1 夹具应力误差

由于样品装载过程中可能出现样品平面与上下夹具平面不平行，在拉伸过程中造成应力集中。拉伸至断裂时会出现中间断裂、上夹具边缘处断裂、下夹具边缘处断裂三种情况，如图4所示。

（1）中间部位断裂:断裂位置在上下夹具的中部，基本可以认为能够反应薄膜断裂的真实情况；

（2）靠近上夹具边缘断裂：在拉伸过程中由于装载时薄膜表面与上下夹具表面不平行，薄膜平面出现扭曲，导致拉伸过程应力集中而发生断裂，并不能反映薄膜断裂的真实情况；

（3）靠近下夹具边缘断裂：在拉伸过程中由于装载时薄膜表面与上下夹具表面不平行，薄膜平面出现扭曲，导致拉伸过程应力集中而发生断裂，与靠近上夹具边缘断裂类似，同样不能反映薄膜断裂的真实情况。

从薄膜断裂处可以看出，只有在中部断裂的情况可以反应出薄膜力学性能退化的真实情况，因此，在试验过程中，应该采用中间断裂的薄膜样品拉伸数值。

图4 薄膜材料拉伸断裂不同位置情况图

3.4.2 薄膜拉伸方向与长度方向存在夹角

假设薄膜样品的长度为L，宽度为b，厚度为d。拉伸方向与薄膜样品在同一平面内，且与薄膜长度方向的夹角为θ。薄膜样品所受拉力为F，其应为沿薄膜长度方向的拉力F1与所受拉力方向的垂直方向的横向剪切力F2的合力。则有：

假设薄膜横截面上受力是均匀的，则薄膜材料的理论抗拉强度σ0为：

但由于薄膜有一定的倾斜角度，因此，实际上的薄膜抗拉强度σ1为：

则误差Δ大小为：

其误差Δ与倾角θ之间的关系如图5所示。

由图5分析可知，倾角为8°时，误差小于1%，倾角达到18°时，误差达到5%，倾角达到25°时，误差达到10%。因此，应控制同一水平面倾角小于18°，当倾角小于8°时，误差可以忽略不计。

但如果剪切力导致薄膜在根部断裂时，则样品拉伸数据不可采用。

其横向剪切力F2为：

图5 薄膜抗拉强度误差随倾角的变化关系图

由公式（5）和公式（7）可知，剪切力与拉力的比值为tanθ。

剪切力/拉力随倾角的变化关系如图6所示。

图6 剪切力/拉力随倾角的变化关系图

由图6分析可知，剪切力/拉力随倾角的增大而增大；当倾角为6°时，其比值约为0.1。

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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