航空航天装备绝缘系统在极端环境中的多因素协同老化特性及机理

Aerospace equipment operates in the extremely severe circumstances, and the degradation of the electrical performances of insulating materials directly affects the operation stability and safety of aerospace equipment. In this project, the severe environment in which the aerospace facilities operate, including cryogenic temperature, high temperature, thermal cycle, high vacuum and high energy ray, will be simulated. Long-term operating characteristics of the common used insulating materials in the aerospace system under single-factor stress and multi-factor cooperative stresses mentioned above will be experimentally analyzed. Based on the main indexes of TSC and space charge characteristics, the variation process of macroscopic electrical properties and microscope electrical parameters during long-term degradation process will be comprehensively studied to discover the main microscopic electrical parameters for characterising the aging level of aerospace insulating materials, and build the relationship feature between microscopic and macroscopic parameters during aging process. The degradation process of electrical properties and aging mechanism of these insulating materials will be found. The project will provide technical basics for the selection and electrical performance improvement of the aerospace insulating material

航空航天设备的工作条件极端恶劣，其中绝缘材料电气性能的劣化直接影响航空航天设备运行的稳定性和安全性。本项目致力于构建模拟航空航天设备绝缘材料所处的太空及外太空环境，包括低温、高温、高低温循环、真空及高能射线等环境条件，研究航空航天常用的绝缘材料在以上多因素的单独作用及协同作用下的长期运行特性，采用以材料的热刺激电流、空间电荷特性为主的特性指标综合研究材料宏观电气性能及微观电气参数在长期运行过程中的特性变化，探索表征航空航天绝缘材料老化的主要微观特征电气参数，建立材料老化的微观电气参数与宏观电气参数的关联特性，揭示绝缘材料在多因素协同作用下的性能退变过程及老化机理，为航空航天绝缘材料的选择及绝缘性能的改善提供依据。

航天器聚合物绝缘介质在轨运行期间受空间中的高能射线和粒子辐照、温度循环以及真空等恶劣环境因素影响而发生性能劣化，在电子辐照下积聚大量电荷，诱发静电放电，引起航天器发生异常故障。本项目针对航空航天绝缘系统中存在的辐照和温度循环两种空间环境效应，展开了辐照和温度冲击加速下绝缘介质性能劣化特性研究，提出了表征航天器绝缘介质老化的特征量，建立了绝缘介质近程分子结构和远程分子结构、陷阱能态分布与电荷输运特性的三者关联关系，取得创新性成果如下：.γ射线辐照作用后，α-Al2O3/环氧树脂绝缘介质中C-C键断裂，C-O-H键含量增多，浅陷阱能级降低，真空/介质界面入射电子增多，α-Al2O3晶体先膨胀后破裂，深陷阱密度增多，电极/介质界面注入空穴增多，使得试样内积聚电荷增多，导致电荷诱发静电放电。.温度冲击作用后，α-Al2O3/环氧树脂绝缘介质中C-C键断裂，C-O-H键含量增多，浅陷阱能级向浅发展，真空/介质界面入射电子增多，充电平衡表面电位升高，Al2O3和环氧基体结合界面区域增多，电极/介质界面空穴注入增多，电荷密度增大。材料表面积聚大量电荷，在高的充电平衡表面电位作用下，多次温度冲击作用后的试样发生了自放电现象。.γ射线辐照和温度冲击协同作用后，同单因素作用相比，C-C键减少，产生大量的C-O-H、C=O、O-C=O等极性基团，浅陷阱能级减小，真空/介质界面入射电子增多，Al2O3与环氧树脂基体界面区域紧缩，深陷阱密度降低，电极/介质界面空穴注入减少，充电平衡表面电位升高，材料内部积聚更多电荷，诱发电子辐照下材料自放电行为。辐照剂量为1000 kGy的试样，经过多次温度冲击后，自放电频率增加。.对α-Al2O3/环氧树脂绝缘介质绝缘特性研究中发现，老化后介质中积聚大量电荷诱发多次自放电行为，因此提出了自放电频率作为航天器绝缘介质老化的表征量。.本项目获得了辐照、温度冲击单独及协同作用下绝缘介质的电荷输运特性，揭示了绝缘介质性能劣化规律和机制，为航天绝缘介质的设计与选型提供了理论依据。