電子輻照聚酰亞胺薄膜力學(xué)性能退化研究

沈自才，邱小林，牟永強(qiáng)，周亦人

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.南昌理工學(xué)院，南昌 330044）

電子輻照聚酰亞胺薄膜力學(xué)性能退化研究

沈自才1，邱小林2，牟永強(qiáng)1，周亦人2

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.南昌理工學(xué)院，南昌 330044）

利用北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的空間綜合輻照實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)聚酰亞胺（PI）薄膜空間電子輻射環(huán)境下的力學(xué)性能變化進(jìn)行了研究，探討了不同電子通量、電子注量和實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)聚酰亞胺薄膜力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在相同通量下，隨著輻照注量的增加，PI薄膜的拉力、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率先增加而后呈指數(shù)規(guī)律降低；在相同注量下，隨著輻照通量的增加，拉力、抗拉強(qiáng)度逐漸增加，而斷裂伸長(zhǎng)率先減小再增大；在相同輻照注量下，隨著溫度的升高，薄膜的拉力、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均增加。最后對(duì)電子輻照聚酰亞胺薄膜的力學(xué)性能退化機(jī)理進(jìn)行了初步分析。

電子；輻照；聚酰亞胺；力學(xué)性能

0 引言

薄膜材料在航天器上有著廣泛的應(yīng)用，如熱控結(jié)構(gòu)、充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)等。尤其是隨著我國(guó)空間基礎(chǔ)設(shè)施的推進(jìn)，未來(lái)大型航天器如空間太陽(yáng)能電站、月球基地或空間站等，薄膜材料將成為結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)的主要材料。但受各種空間環(huán)境效應(yīng)的作用，其在軌空間環(huán)境適應(yīng)性及壽命受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

以NASA為代表的國(guó)外航天機(jī)構(gòu)對(duì)空間環(huán)境下薄膜材料的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究。Verker等[1]對(duì)原子氧和空間碎片環(huán)境協(xié)同作用下POSS型聚酰亞胺（PI）薄膜在的侵蝕速率和力學(xué)性能進(jìn)行了研究；Shimamura等[2]對(duì)低地球軌道飛行實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的PI薄膜力學(xué)性能退化進(jìn)行了研究，進(jìn)而認(rèn)為原子氧是導(dǎo)致其性能降低的主要因素；Dever等[3]研究發(fā)現(xiàn)，Teflon FEP二次表面鏡薄膜的機(jī)械性能在長(zhǎng)期輻照環(huán)境下發(fā)生了明顯退化。Stuckey等[4]對(duì)充氣展開(kāi)結(jié)構(gòu)用薄膜材料在空間輻射環(huán)境下的力學(xué)性能退化及規(guī)律進(jìn)行了研究。Ferl等[5-9]則研究了不同輻射環(huán)境下薄膜的力學(xué)性能退化機(jī)理進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)航天機(jī)構(gòu)對(duì)空間輻射環(huán)境下薄膜材料的力學(xué)性能研究相對(duì)較少，以沈自才等[10]對(duì)空間輻射環(huán)境下薄膜及薄膜基的力學(xué)性能變化及機(jī)理進(jìn)行了初步研究[11-16]。

對(duì)航天器用薄膜材料來(lái)說(shuō)，低能電子是導(dǎo)致其力學(xué)性能變化的主要原因之一。與空間其他帶電離子不同，電子帶有負(fù)電荷。因此，通過(guò)開(kāi)展單電子輻射環(huán)境下的薄膜材料力學(xué)性能退化實(shí)驗(yàn)，一方面研究空間電子輻射作用下薄膜材料力學(xué)性能退化規(guī)律；另一方面，分析空間負(fù)電荷離子與薄膜材料結(jié)構(gòu)的微觀(guān)損傷之間的關(guān)系。

空間電子輻射環(huán)境下，航天器用PI薄膜材料的力學(xué)性能退化實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)電子輻照通量、注量和實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響進(jìn)行探討，為后續(xù)進(jìn)一步開(kāi)展電子輻射下薄膜材料的力學(xué)性能退化機(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB13022-91《塑料、薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法》，將厚度25 μm的美國(guó)杜邦公司產(chǎn)均苯型PI薄膜裁制成寬15 mm，長(zhǎng)150 mm的長(zhǎng)條型樣品，舍去邊緣有缺陷的試樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

輻照實(shí)驗(yàn)在空間綜合輻照實(shí)驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，真空度優(yōu)于1×10-3Pa，電子能量為40 keV。在研究相同通量不同注量電子輻照對(duì)薄膜材料力學(xué)性能影響時(shí)，樣品溫度為25℃，電子通量為1.157×1010e/ cm2·s，注量分別為1×1015e/cm2、3×1015e/cm2、5× 1015e/cm2、7×1015e/cm2、10×1015e/cm2。

在研究相同注量不同通量電子輻照對(duì)薄膜材料力學(xué)性能影響時(shí)，樣品溫度為25℃，電子通量分別為4.68×109e/cm2·s、1.157×1010e/cm2·s、1.585× 1010e/cm2·s，注量為5×1015e/cm2。

在研究溫度對(duì)薄膜材料力學(xué)性能影響時(shí)，樣品溫度分別為-10℃、25℃、50℃，電子通量分別為4.68×109e/cm2·s（-10℃）、1.157×1010e/cm2·s（25℃、50℃），注量為5×1015e/cm2。

1.3 拉伸參數(shù)

輻照實(shí)驗(yàn)完成后，將樣品取出且密封保存，并在24 h內(nèi)完成拉伸實(shí)驗(yàn)。拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持薄膜樣品的平面與上下夾具的平面平行，標(biāo)距為100 mm，拉伸速度為50 mm/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 相同通量不同注量對(duì)PI薄膜力學(xué)性能的影響

在不同電子輻照注量下，PI薄膜的拉力、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化，如圖1所示。

圖1 PI薄膜力學(xué)性能隨電子注量的變化關(guān)系圖Fig.1 Mechanical properties of PI film in different electron fluencies

利用origin模擬分析軟件（下同），對(duì)不同電子注量下PI薄膜的拉力進(jìn)行擬合分析，如圖2所示。

圖2 不同電子注量下PI薄膜拉力擬合圖Fig.2 Fitting curve of tensile of PI film in different electron fluencies

由圖2可知，在1×1015e/cm2電子輻照之后，PI薄膜的拉力隨電子輻照注量的增加而呈指數(shù)降低：

式中：y為拉力，N；x為電子注量，1015e/cm2。

由式（1）可知，在長(zhǎng)期電子輻照下，PI薄膜拉力的理論值為56.46 N。

對(duì)不同電子注量下PI薄膜的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行擬合分析，如圖3所示。

圖3 不同電子注量下PI薄膜抗拉強(qiáng)度擬合圖Fig.3 Fitting curve of tensile strength of PI film in different electron fluencies

由圖5可知，在1×1015e/cm2電子輻照之后，薄膜的抗拉強(qiáng)度隨電子輻照注量的增加而呈指數(shù)降低：

式中：y為抗拉強(qiáng)度，MPa；x為電子注量，1015e/cm2。

由式（2）可知，在長(zhǎng)期電子輻照下，PI薄膜抗拉強(qiáng)度的理論值為150.54 MPa。

對(duì)不同電子曝輻量下的PI薄膜斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行擬合分析，如圖4所示。

圖4 不同電子注量下PI薄膜斷裂伸長(zhǎng)率擬合圖Fig.4 Fitting curve of rupture elongation of PI film in different electron fluencies

由圖4可知，在1×1015e/cm2電子輻照之后，PI薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照注量的增加而呈指數(shù)降低：

式中：y為斷裂伸長(zhǎng)率，%；x為電子注量，1015e/cm2。

由式（3）可知，在電子輻照下，PI薄膜斷裂伸長(zhǎng)率的理論值為28.89%。

2.2 不同通量相同注量對(duì)PI薄膜力學(xué)性能的影響

在不同電子輻照通量下，PI薄膜的主要力學(xué)性能變化分別如圖5所示。分析可知，隨著電子輻照通量的增加，在相同輻照注量下，拉力、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率總體呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)。

圖5 電子輻照通量對(duì)PI薄膜力學(xué)性能的影響圖Fig.5 Influence of electron flux on mechanical properties of PI films

2.3 溫度對(duì)PI薄膜力學(xué)性能的影響

在不同溫度、相同電子輻照注量下，PI薄膜的拉力、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率變化，如圖6所示。分析可知，在相同電子輻照注量下，隨著電子輻照溫度的增加，PI薄膜的拉力、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

圖6 溫度對(duì)電子輻照PI薄膜力學(xué)性能的影響圖Fig.6 Influence of temperature on mechanical properties of PI films in electron radiation

3 討論

PI主要由二元酐和二元胺合成，其分子式，如圖7所示。

圖7 PI的分子結(jié)構(gòu)式圖Fig.7 Molecular structural formula of PI

由圖7可知，PI薄膜的分子價(jià)鍵主要包括C-O、C-C、C=O、C-H、C-N、C=O、苯環(huán)[17]。PI薄膜中的分子鍵的鍵能如表1所列。

表1 PI薄膜化學(xué)鍵結(jié)合能Table1 Binding energy of chemical bonds in PI film

由于電子的能量為40 keV，可以將PI薄膜中的任意價(jià)鍵打斷，但相較于苯環(huán)的高能量，電子更容易將其他化學(xué)價(jià)鍵打斷，尤其是環(huán)1、環(huán)2和環(huán)3之間的化學(xué)鍵和PMDA分子團(tuán)中的C-C鍵和C-N鍵。同時(shí)，電子也將與分子團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，可以初步判斷，PI薄膜在電子輻照作用下，化學(xué)價(jià)鍵的斷裂和交聯(lián)，是導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生變化的主要原因。進(jìn)一步對(duì)電子輻照注量為0、1×1015e/ cm2和10×1015e/cm2情況下的PI薄膜進(jìn)行X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析，PI薄膜中C元素官能團(tuán)的變化如表2和圖8。

圖8 電子輻照前后PI中C1s XPS能譜圖Fig.8 XPS of C1s binding energy in PI before and after electron radiation

表2 PI薄膜C元素電子輻照前后官能團(tuán)Table2 Functional group of C in PI before and after electron radiation

4 結(jié)論

（1）在相同電子通量下，PI薄膜的拉力、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照注量的變化先增加后呈指數(shù)下降；

（2）在相同電子注量下，PI薄膜的拉力和抗拉強(qiáng)度隨著電子輻照通量的增加而增加，而斷裂伸長(zhǎng)率則先減少后增加；

（3）隨著實(shí)驗(yàn)溫度的增加，PI薄膜的力學(xué)性能逐漸增加；

（4）PI薄膜的分子價(jià)鍵的斷裂和交聯(lián)是造成其在電子輻照下力學(xué)性能變化的主要原因。在輻照初期，其力學(xué)性能增加，是由于分子鍵的交聯(lián)引起，而在電子輻照后期，斷裂是造成其力學(xué)性能下降的主要原因。

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MECHANICAL PROPERTY DEGRADATION OF POLYIMIDE FILM BY ELECTRON RADIATION

SHEN Zi-cai1，QIU Xiao-lin2，MU Yong-qiang1，ZHOU Yi-ren2
（1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China；2.Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330044，China）

The mechanical property of polypyromellitimide film in electron radiation was studied in Φ800 mm combined space radiation test facility in Beijing Institute of Space Environment Engineering（BISEE），and the influence of flux，fluence and temperature of electron radiation on the mechanical property of the film was studied.The following results can be obtained：the tensile force，tensile strength and rupture elongation of polyimide film decrease firstly and then exponential increase with the increase of electron radiation fluencies.At the same electron radiation fluence，the tensile force and tensile strength of polyimide film increase with the increase of electron radiation flux，but the rupture elongation decrease firstly and then increase with the electron flux.The mechanical properties of polyimide film increase with the increase of test temperature.

electron；radiation；mechanical property；polyimide

V25

A

1006-7086（2017）02-0082-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.004

2016-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41174166）、江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ151165）

沈自才（1980-），男，山東臨沂人，博士，從事航天器空間環(huán)境工程和航天材料工程研究。E-mail：zicaishen@163.com。