星用热缩套管力学性能钴源辐照效应研究

赵春晴，刘宇明，聂翔宇，张永泰，丁义刚，沈自才

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）



环境及其效应

星用热缩套管力学性能钴源辐照效应研究

赵春晴，刘宇明，聂翔宇，张永泰，丁义刚，沈自才

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

目的 研究星用热缩套管的力学性能（断裂伸长率和拉伸强度）在空间辐射环境中的退化情况。方法 利用钴源放射的γ射线模拟地球轨道粒子辐照环境，通过表面形貌分析、辐解气体分析、X射线光电子能谱分析、红外光谱分析等多种手段分析热缩套管力学性能退化的原因。结果 辐照后热缩套管颜色变深，力学参数出现严重退化现象。在最大辐照剂量下，材料断裂伸长率由414.3%下降为0.06%，拉伸强度由17.43 MPa下降为2.15 MPa，热缩套管原有力学性能几乎完全丧失。结论 热缩套管主链出现断链现象，生成可挥发的CO2，CH4等气体，从而导致样品力学性能严重退化。

热缩套管；力学性能；辐照；γ射线

航天器在轨期间会遭受空间带电粒子辐照，其带来的总剂量效应会引起航天器表面高分子材料结构断裂，引发材料表面发生化学老化，使其表面脆化，产生微裂纹，进而导致其力、光、电能性能退化，影响航天器在轨的正常工作［1—8］。热缩套管材料是广泛应用于航天器中的一类电绝缘材料。例如在磁力矩器引出线端使用热缩套管，从而起到绝缘、密封、保护电线电缆的作用。热缩套管类电绝缘材料辐射稳定性研究在核电领域已经开展了大量的工作［9—13］，但在航天器抗辐射设计领域，该类材料的相关研究还比较少［14］。由于空间抗辐射领域对热缩套管性能关注与核电领域有所不同，分析认为有必要对带电粒子辐照环境下热缩套管性能退化等效性进行研究，探讨热缩套管在空间辐射环境下的退化效应。

文中利用辐射源60Co进行地面模拟试验，研究空间辐射环境中热缩套管力学性能退化情况，以掌握和了解其空间辐射环境耐受能力，为航天器抗辐射设计提供参考依据。

1　试验设计

1.1试验原理

辐射源60Co的衰变时会发射出两组γ射线，其能量分别为1.173 MeV和1.332 MeV，平均能量为1.25 MeV。γ射线是一种短波长的电磁辐射，又称为光子。

辐射源60Co产生的γ射线与物质作用过程分为两个部分，首先通过光电效应、康普顿散射和产生电子对把能量传递给电子，然后产生的电子通过电离、激发和弹性散射等几种形式把能量传递给被辐射物质，沉积在物质中的能量使材料或器件的性能发生退化。空间带电粒子辐射环境是带电粒子（电子和质子）通过电离、激发和弹性散射等过程把能量直接传递给物质，损失的能量在物质中累积而产生总剂量效应。两者虽然与物质作用的过程不同，但主要都是电离效应使材料或器件性能产生退化，所以在效应上是可以等效的，因此钴源辐射是空间总剂量效应地面最常用的模拟手段之一。

辐射源60Co产生的γ射线能量高，高能γ射线在物质中可均匀地沉积能量，这是地面常用γ射线作为辐照源的一大优势。

1.2轨道环境分析

地球辐射带基本模型为AE电子辐射带、AP质子辐射带系列模型，目前工程应用的版本为AE-8和AP-8。文中研究的航天器运行环境为GEO轨道，轨道高度为35 786 km，轨道倾角为0°，图1给出了卫星在轨15年的空间辐射剂量-屏蔽厚度关系，是基于实心球屏蔽模型的分析结果。

图1　空间辐射剂量深度曲线Fig.1　Dose-depth curve of space irradiation

由计算数据外推，在没有屏蔽的情况下，15 年GEO轨道环境下外露材料接受的总剂量为2×109rad（Si）。

1.3试验参数设计

试验样品为星用透明热缩套管，具体参数及其性能测试详见表1。

表1　透明热缩套管参数及测试仪器Table1　Parameters of transparent heat-shrinkable sleeve and test instruments

表1中，拉伸强度和断裂伸长率都为高亚聚乙烯热缩套管的力学性能参数。拉伸强度为在拉伸试验中，试样直至断裂为止所受的最大拉伸力，其结果以MPa表示；断裂伸长率是指试样在拉断时的位移值与原长的比值，其结果以百分比表示，它是衡量材料韧性的指标，断裂伸长率越大韧性越好，反之材料就越脆。

钴源辐照试验在北京师范大学钴源辐照系统中进行。该源发射的γ射线能量为1.25 MeV，剂量率范围为0.06～120 rad（Si）/s。试验时选择剂量率120 rad（Si）/s，受经费及时间限制，辐照时间选择30天，此时总吸收剂量为3×108rad（Si），比实际空间剂量要低。

2　试验结果与分析

2.1试验结果

钴源辐照后样品外观变化及力学性能变化曲线如图2所示。

图2　钴源辐照下热缩套管力学性能退化Fig.2　Mechanical property degradation of the heat-shrinkable sleeve irradiated by γ ray

由图2可见，γ射线辐照下，热缩套管力学性能急剧下降，且呈现前期下降快、后期下降慢的特点。在最大辐照剂量下，热缩套管的断裂伸长率由414.3%下降为0.06%，下降幅度接近100%；拉伸强度由17.43 MPa下降为2.15 MPa，下降幅度约为88%，可见热缩套管几乎完全被破坏，原有力学性能完全丧失。

2.2表面形貌分析

钴源辐照后样品在几个剂量点处的外观变化如图3所示。γ射线辐照下样品由透明变为黄色，呈逐渐加深的趋势，且最大剂量点处有明显脆化现象。

图3　钴源辐照下热缩套管颜色变化Fig.3　Color variation of the heat-shrinkable sleeve irradiated by γ ray

热缩套管在钴源辐照前后的表面形貌分析图如4所示。

图4　热缩套管辐照前后形貌Fig.4　Exterior appearance of heat-shrinkable sleeves before and after being irradiated

由图4可见，样品辐照前表面比较平滑，钴源辐照后表面出现细微裂纹。分析认为γ射线对材料微观形貌造成明显损伤，且出现脆化现象，稍受外力作用便出现明显裂纹，这与前面力学性能测试结果及外观检测结果相符。

2.3辐解气体分析

辐照引发聚合物网状结构断裂，进而导致其发生交联或降解等系列变化。无论降解还是交联，辐照对聚合物的初级作用都是使聚合物激发或电离，产生一系列短寿命的中间产物，如自由基、阴离子及阳离子。

判断样品的辐射稳定性，主要分析其主链的断裂情况。通过对热缩套管辐解气体产物的气相色谱分析，发现辐解气体产物以H2，CH4，CO和CO2为主，其中H2的生成量最高，另有少量的乙烷和丙烷存在。在气体分析中，CO2是监测重点，这是由于CO2的产生主要源于高亚聚乙烯长链的断裂，即高亚聚乙烯的断键程度可通过CO2的生成量（断键数）与初始总键数来表征。气相色谱分析结果如图5所示［15］。结果表明，随着辐照量的进一步增加，断裂程度增加，从而对应的样品的力学性能（断裂伸长率、拉伸强度）出现下降趋势。

图5　吸收剂量对材料断键率的影响Fig.5　Variation of broken chemical bonds versus the absorbed dose

2.4X射线光电子能谱分析

高亚聚乙烯热缩套管由硅烷交联法制备，利用聚乙烯和有机硅烷发生接枝反应得到可交联的硅烷接枝聚乙烯，然后通过后续催化水解缩合反应制备出热缩套管，主要成分为C2H4，另外含有硅和氧物质。通过X射线光电子能谱分析手段检测到样品的成分，见表2。

表2　高亚聚乙烯热缩套管材料各元素含量变化Table 2　Variation of elements contents in low-density polyethylene heat-shrinkable sleeves

对于辐照前的样品，主要以高亚聚乙烯长链为主，其中有Si—O键交联结构。辐照试验后，样品中碳的含量呈下降趋势，而氧的含量呈上升趋势，可以推测热缩套管样品发生了断裂现象。有部分C分子链断裂生成可挥发的C化合物，如CO2，CH4等，从而导致样品的力学性能出现急剧下降现象，该结果与辐解气体分析结果相符。

2.5红外光谱分析

聚乙烯主要是C2H4结构，从红外光谱可以看出存在2916 cm-1CH2反对称伸缩振动、2849 cm-1CH2对称伸缩振动、1464 cm-1CH2平面变焦振动、719 cm-1碳链面内摇摆振动等主要吸收峰。辐照后的热缩套管红外光谱与原样相比，特征峰更强，且辐射后新增加了1712 cm-1的特征峰，推测此处的吸收峰为样品辐射后降解氧化产生的羟基的吸收峰。

图6　高亚聚乙烯热缩套管红外光谱Fig.6　Analysis of infrared spectrograph of low-density polyethylene heat-shrinkable sleeves

3　结论

本研究采用钴源发射的γ射线模拟空间带电粒子辐射环境，研究星用热缩套管力学性能的退化情况，形成如下初步结论。

1）经γ射线辐照后热缩套管力学性能（断裂伸长率和拉伸强度）呈大幅下降的趋势，最大剂量处样品力学性能几乎完全丧失。

2）样品表面出现颜色由透明变为黄色并脆化的现象，经微观表面形貌分析发现，γ射线辐照后样品微观表面均出现裂纹现象，这为样品出现脆化、力学性能下降提供佐证。通过辐解气体分析和X射线光电子能谱分析发现，高亚聚乙烯主链出现断链现象，生成可挥发的CO2，CH4等气体，从而导致样品力学性能下降或消失。通过红外光谱分析发现，辐射后热缩套管新增加了1712 cm-1的特征峰，推测此处的吸收峰为样品辐照降解氧化产生的羧基的吸收峰。多种分析手段表明，样品主链断裂是其力学性能退化的原因。

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60Co Radiation Effects on the Mechanical Properties of Heat-shrinkable Sleeves for Satellites

ZHAO Chun-qing，LIU Yu-ming，NIE Xiang-yu，ZHANG Yong-tai，DING Yi-gang，SHEN Zi-cai
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

Objective To research the degradation of the mechanical properties（elongation at break and tensile strength）of heat-shrinkable sleeves for satellites in the spatial radiation environments.Methods The reason for the degradation of mechanical properties of the heat-shrinkable sleeves was analyzed in the simulated earth’s orbit particle radiation environment with γ rays radiated by60Co through various means，such as surface topography analysis，radiolysis gas analysis and infrared spectrum analysis with X-ray photoelectron spectroscopy，etc.Results The result indicated that the color of the heat-shrinkable sleeves became darker after being radiated and there was obvious degradation of the mechanical properties.The elongation at break of the materials degraded from 414.3%to 0.06%，and the tensile strength degraded from 17.43 MPa to 2.15 MPa at the maximum radiation.The original mechanical properties of the heat-shrinkable sleeves were almost completely lost.Conclusion The main chain of heat-shrinkable sleeve is broken and volatile gases CO2and CH4，etc.are generated，which causes the degradation of the mechanical properties.

heat-shrinkable sleeve；mechanical property；irradiation；γ rays

2016-03-01；Revised：2016-04-25

LIU Yu-ming(1978—),Male,from Qingdao,Shandong,Doctor,Senior engineer,Research focus:evaluation of material performance under space radiation environment.

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.029

TJ04

A

1672-9242（2016）04-0180-05

2016-03-01；

2016-04-25

赵春晴（1981—），女，江苏徐州人，硕士，工程师，主要研究方向为空间辐射环境材料下性能评估技术。

Biography：ZHAO Chun-qing(1981—),Female,from Xuzhou,J iangsu,Master,Engineer,Research focus:evaluation of material performance under space radiation environment.

刘宇明（1978—），男，山东青岛人，博士，高级工程师，主要研究方向为空间辐射环境材料下性能评估技术。