空间辐射环境下航天器薄膜材料力学性能退化及机理研究

薄膜材料在航天器上有着越来越重要的应用，不但可以用于航天器防护材料如热控涂层等传统结构，而且在未来月球基地建设、大型天线、遮光罩、大型太阳能电池帆板、太阳帆等新型航天器结构中有着重要的应用。航天器在轨寿命期间将遭受来自于空间的真空、高低温、中性大气、太阳宇宙射线、银河宇宙射线、太阳电磁辐射等严重威胁，可对暴露于航天器表面的薄膜材料力学性能带来严重退化甚至失效，威胁航天器的在轨安全和寿命，科学家曾观察到哈勃太空望远镜在轨运行期间表面薄膜出现了破裂。目前，国际上已经开始关注航天器薄膜材料的力学性能，并将其用于大型展开结构的设计中，而我国尚未开展相关研究。随着我国深空探测的开展和大型展开结构的研制与开发，亟需开展薄膜材料在空间环境下的力学性能研究。本项目将研究：1）航天器用薄膜材料在电子、质子、近紫外、远紫外等空间环境下的性能退化；2）航天器用薄膜材料空间辐射环境下力学性能退化的微观机理。

薄膜材料不但可以用于航天器传统结构材料如热控涂层等方面，而且可以用于大型航天器的展开结构中。但由于长期暴露在航天器表面，受空间电子、质子、近紫外、远紫外等辐射环境的威胁，将导致其力学性能退化甚至失效，严重威胁航天器的在轨安全及可靠性。.本项目以聚酰亚胺薄膜为典型代表材料，针空间电子、质子、近紫外、远紫外及伽马射线等辐射环境，首先对薄膜材料的空间辐射损伤机制和试验方法进行了探讨，进而利用北京卫星环境工程研究所的空间综合辐照试验装置、钴源辐照试验装置和电子拉力试验机对航天器用薄膜材料的力学性能退化规律进行了实验研究，利用红外分析、热重分析、XPS分析等微观分析手段，对其微观结构和损伤机理进行了研究，并建立空间辐射环境下薄膜材料的力学性能退化数学模型和物理模型。研究发现，在电子、质子、伽马射线等辐射环境作用下，其抗拉强度和断裂伸长率等力学性能先增加而后呈指数减小，而在近紫外和远紫外等高能光子作用下，其力学性能先降低，而后呈指数增加，最后趋于稳定。断裂和交联是造成薄膜材料力学性能变化的主要原因，在近紫外和远紫外辐照初期，C-O键、C-N键、C-C键等的断裂是导致其力学性能降低的主要原因，而后不同断裂的价键与苯环、不同的苯环之间将发生交联反应是导致其力学性能增加的主要原因。而对电子、质子等带电粒子以及伽马射线，C-N键等的断裂及其引发的交联是导致其力学性能在初期增加的主要原因，而在辐照后期，由于C=O双键、-N（CO）键的断裂及其新的C-N键的形成是导致PI薄膜力学性能降低的主要原因，此时以断裂为主。.基于本项目执行过程中的研究成果，项目组先后出版专著2部，撰写航天行业标准8份，发表和已经录用期刊论文20余篇，仍有待投稿论文近10篇，培养研究生2名，申请专利8项，参加3次国际学术会议和多次国内学术会议。超额完成了项目的全部研究内容和成果指标。.通过对空间辐射环境下聚酰亚胺薄膜的力学性能退化规律、机理与模型研究，一方面可以获得薄膜材料力学性能退化规律，用于航天器薄膜材料的选用依据；另一方面，其力学性能退化机理与退化模型，可为高性能航天器薄膜材料的研制提供理论支持。