導(dǎo)電塑料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用展望

劉艷麗，井元良，石海平，劉奕宏

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

0 引言

塑料因其性能多樣、成本低、易加工的特點而得到廣泛應(yīng)用，而導(dǎo)電塑料的發(fā)明使得塑料從絕緣體跨入導(dǎo)體和半導(dǎo)體的行列，衍生出塑料薄膜屏蔽層、塑料芯片、塑料太陽電池、塑料蓄電池等產(chǎn)品。這些高性能、低成本產(chǎn)品的出現(xiàn)為航天產(chǎn)品的輕小型化開辟出新的發(fā)展方向。

本文在簡述導(dǎo)電塑料的概念和原理的基礎(chǔ)上，對導(dǎo)電塑料的衍生產(chǎn)品在航天領(lǐng)域的未來應(yīng)用進行探討，提出我國航天器塑料化的發(fā)展建議。

1 導(dǎo)電塑料的原理

2000年12月12日，瑞典皇家科學(xué)院把諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給日本筑波大學(xué)名譽教授白川英樹和他的2 個歐美同行，理由是“發(fā)明并研制出了導(dǎo)電塑料”。歷來被視為絕緣體的塑料，因這一發(fā)明 而具有了絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體3 種特性。

導(dǎo)電塑料是利用塑料基體與導(dǎo)電填料組成海島結(jié)構(gòu)復(fù)合體系，依靠量子力學(xué)隧道效應(yīng)使得電子具有在粒子間的躍遷能力，再通過塑料的加工方式加工成型的功能型高分子材料。導(dǎo)電塑料在不改變原有塑料材料的一些基本性能的同時，用導(dǎo)電材料的分子搭起一座可以供電子通過的“橋梁”，使得塑料具有導(dǎo)電性，且可通過調(diào)整導(dǎo)電材料的比例改變塑料的導(dǎo)電率，成為同時具備絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體3 種狀態(tài)的新型材料[1]。

導(dǎo)電塑料中的導(dǎo)電填料一般選用金屬纖維、導(dǎo)電碳纖維、碳納米管、導(dǎo)電石墨、金屬合金填料等，常用的塑料基體包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、乙烯共聚物、尼龍和高性能熱塑性塑料合金等。

復(fù)合型導(dǎo)電塑料的電阻率隨導(dǎo)電填料體積分數(shù)的變化是不連續(xù)的，如圖1所示：在材料制備的特定溫度下，導(dǎo)電填料體積分數(shù)增加到特定值時，材料的電阻率會發(fā)生突變，表明此時導(dǎo)電粒子在聚合物基體中的分散狀態(tài)發(fā)生了突變，即導(dǎo)電粒子在聚合物中形成了滲濾網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電填料的這一臨界體積分數(shù)稱為滲濾閾值。另外，在某些復(fù)合型導(dǎo)電塑料中，量子力學(xué)隧道效應(yīng)對材料的導(dǎo)電行為影響較大。大部分導(dǎo)電塑料的導(dǎo)電性能是靠導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，即電子在粒子間的躍遷造成的，而不是靠導(dǎo)電粒子直接接觸。復(fù)合型導(dǎo)電塑料的等效電路模型如圖2所示[2]。

圖1 導(dǎo)電填料體積分數(shù)與導(dǎo)電塑料電阻率的關(guān)系示意Fig.1 The relation between the resistivity and the filling proportion

圖2 導(dǎo)電塑料的等效電路模型Fig.2 Circuit model of the conductive plastics

2 導(dǎo)電塑料在航天領(lǐng)域的可能應(yīng)用

2.1 導(dǎo)電塑料替代金屬屏蔽材料

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，更多先進的高集成度電氣和電子設(shè)備將應(yīng)用于航天領(lǐng)域的各個方面。與地面電子設(shè)備（例如移動電話、平板電腦和家用電器）的發(fā)展道路相類似，系統(tǒng)的集成度發(fā)展到一定階段，系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)間的電磁兼容性問題將從次要矛盾逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕?。為解決電磁波輻射泄漏和干擾問題，須采用電磁屏蔽材料進行屏蔽。目前航天器的屏蔽手段主要是應(yīng)用金屬及其復(fù)合物作為屏蔽材料，例如航天器屏蔽電纜屏蔽層的材料為銅鍍銀，電子設(shè)備的電磁屏蔽外殼采用鋁合金。這些材料雖然具有很好的屏蔽效能，但存在物理彈性有限、質(zhì)量大、加工難度大、價格高、屏蔽 效能不可調(diào)等缺點。在航天器材料選取過程中，質(zhì)量大小往往成為首先需要考量的因素。例如，屏蔽電纜的單位長度質(zhì)量是非屏蔽電纜的3～4 倍，使得航天器設(shè)計中往往限制屏蔽電纜的使用，從而為航天器的電磁兼容性埋下隱患。而導(dǎo)電塑料具有良好的電磁屏蔽性能，且具有密度小、韌性好、成本低、易于加工、屏蔽性能可調(diào)節(jié)的優(yōu)點，是金屬屏蔽材料的潛在替代品。

電磁屏蔽即控制電磁波從某一區(qū)域向另一區(qū)域的輻射傳播。電磁屏蔽通常采用低電阻的導(dǎo)體材料，其對電磁能流具有反射和引導(dǎo)作用，在內(nèi)部產(chǎn)生與源電磁場相反的電流和磁極化場，從而減弱源電磁場的輻射效果。如圖3所示，當(dāng)電磁波遇到屏蔽材料時，將產(chǎn)生反射、吸收和透射。

圖3 電磁屏蔽原理示意Fig.3 The schematic diagram of electromagnetic shielding

可用屏蔽能效SE（dB）來表征屏蔽材料對電磁波噪聲的衰減程度[3]，其定義為屏蔽前與屏蔽后的電磁波噪聲信號功率之比，用公式表示為

式中：F為屏蔽前噪聲信號的功率，W；F′為屏蔽后噪聲信號的功率，W。

工程應(yīng)用中，通常按照Schelkunoff 電磁屏蔽理論，將屏蔽材料的屏蔽能效按

計算。式中：R為電磁波的反射損耗，dB；A為電磁波的吸收損耗，dB；B為電磁波在屏蔽材料內(nèi)的傳輸損耗，dB。當(dāng)吸收損耗大于10 dB 時，則傳輸損耗可忽略不計，此時式(2)可簡寫為[3]

式中：f為電磁波的頻率，Hz；μ為屏蔽材料的相對磁導(dǎo)率，H/m；σ為屏蔽材料的相對電導(dǎo)率，S/m；t為屏蔽材料厚度，m。

由式(3)可知，在電磁波頻率一定的情況下，屏蔽材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率是影響其屏蔽能效的主要因素。對于電導(dǎo)率高的材料，如電纜網(wǎng)的屏蔽材料為銅鍍銀，則反射是屏蔽的主要作用；而對于磁導(dǎo)率較高的材料，例如填充不銹鋼纖維的導(dǎo)電塑料，吸收是屏蔽的主要作用。

按屏蔽能效值的大小可將電磁屏蔽材料分為以下幾類：SE=0～10 dB，無電磁屏蔽作用的材料；SE=10～30 dB，低電磁屏蔽材料；SE=30～60 dB，中電磁屏蔽材料；SE=60～90 dB，高電磁屏蔽材料；SE=90 dB 以上，具有最佳電磁屏蔽作用的材料。一般認為，常規(guī)電子器材電磁屏蔽的材料，當(dāng)電磁波頻率在30～1000 MHz 范圍內(nèi)，其屏蔽能效達到35 dB 即具有有效屏蔽作用。航天用屏蔽電纜網(wǎng)的屏蔽能效一般在70 dB 以上。表1和表2為一些導(dǎo)電塑料的電磁屏蔽性能和力學(xué)特性[4-7]。

表1 不同導(dǎo)電塑料的電磁屏蔽性能Table 1 The electromagnetic shield of different conductive plastics

表2 導(dǎo)電塑料的力學(xué)特性Table 2 The mechanical properties of conductive plastics

根據(jù)表1和表2可知，目前，導(dǎo)電塑料的屏蔽能效已經(jīng)同金屬屏蔽材料相差無幾，并且導(dǎo)電填料的添加對塑料本身的力學(xué)性能影響很小，因此導(dǎo)電塑料可作為航天器部分金屬材料的替代品。表3列舉了導(dǎo)電塑料的電磁屏蔽功能在航天領(lǐng)域的部分可能應(yīng)用，并分析了各種應(yīng)用的優(yōu)缺點及進一步研究的方向。

綜合分析的結(jié)果認為，用導(dǎo)電塑料替代屏蔽電纜的金屬屏蔽層是目前最可行的應(yīng)用之一。以某衛(wèi)星為例，屏蔽導(dǎo)線約占整星電纜網(wǎng)總重的30%，若用密度為1.3 g/cm3的導(dǎo)電塑料代替目前的銅鍍銀金屬屏蔽層，可使屏蔽電纜減重34%，減重效果明顯。在替代設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)方面，國際上已有先例。例如意大利研制的大氣監(jiān)測衛(wèi)星（URSA MAIOR立方體衛(wèi)星）的部分設(shè)備已經(jīng)采用ABS 塑料外殼（見圖 4），并且通過了相應(yīng)的環(huán)境測試[8]；Interpoint 公司的二次電源模塊外殼已經(jīng)由高分子材料替代原有的金屬外殼。雖然高分子聚合物不具備抗輻照性能，但仍可應(yīng)用于那些安裝在航天器內(nèi)部、對抗輻照性能要求較低的設(shè)備。

表3 導(dǎo)電塑料的電磁屏蔽功能在航天領(lǐng)域的可能應(yīng)用Table 3 Possible aerospace applications of conductive plastics

圖4 URSA MAIOR 立方體衛(wèi)星內(nèi)部產(chǎn)品的塑料結(jié)構(gòu)Fig.4 The plastic structure of the URSA MAIOR cube satellite

2.2 塑料太陽電池

塑料太陽電池是針對導(dǎo)電塑料具有的半導(dǎo)體特性衍生出來的產(chǎn)品，其工作原理和硅太陽電池相同，即利用半導(dǎo)體p-n 結(jié)的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，具有塑料本身的高柔性、低成本（每瓦發(fā)電成本是多晶硅電池的1/10）等特性。半導(dǎo)體塑料的材料一般有聚苯乙烯（PPV）及其衍生物、聚噻吩（PTH）及其衍生物和聚乙烯基咔哩（PVK）等。在制備過程中，半導(dǎo)體塑料以溶液的形式進行印制，和其他基層材料及金屬氧化物一起分層涂覆在絕緣塑料薄膜上，因此，太陽能塑料電池的生產(chǎn)過程極為簡單，并且生產(chǎn)出的塑料電池可以自由彎曲折疊。但在印制過程中，如何保證每一層電池印制時不污染到其下層材料十分困難，使得塑料太陽電池從單層結(jié)構(gòu)向多層結(jié)構(gòu)發(fā)展的道路極為緩慢，阻礙了其轉(zhuǎn)換效率的提高。

ESA 和NASA 均針對塑料太陽電池在航天領(lǐng)域的應(yīng)用開展了研究。圖5所示為ESA 研制的超輕太陽電池陣[9]，其輸出功率為12.5 kW，總質(zhì)量為10 kg（含結(jié)構(gòu)），展開面積為40 m2。塑料太陽電池可制備成超薄柔性太陽電池陣，這使得面積很大的太陽電池陣在壓縮狀態(tài)下占用的航天器體積資源變得很小，可進一步降低航天器的發(fā)射成本，基于目前的運載能力，可滿足MW 級航天器的功率需求。表4給出了塑料太陽電池與傳統(tǒng)太陽電池的性能對比[10]。

圖5 由ESA 研制的超輕塑料太陽電池陣Fig.5 Development of ultra-light plastic solar array by ESA

表4 塑料太陽電池與傳統(tǒng)太陽電池性能對比Table 4 The difference between plastic solar cell and traditional solar cell

2.3 塑料鋰離子蓄電池

在手機、筆記本電腦越來越追求輕薄小巧的趨勢下，傳統(tǒng)的蓄電池已經(jīng)無法滿足要求，塑料電池 應(yīng)運而生。由高分子聚合物代替電池中的電極和電解液，形成被稱為第四代蓄電池的聚合物鋰離子蓄電池。這種新型電池的優(yōu)勢在于體積小、重量輕、厚度薄，形狀設(shè)計靈活多變，具有較高的安全性能。聚合物鋰離子蓄電池的電解質(zhì)是以固態(tài)或凝膠態(tài)存在的，內(nèi)部不存在液態(tài)電解液。在某種原因?qū)е聹囟冗^高的情況下，聚合物電解質(zhì)和電極材料發(fā)生反應(yīng)，每克電解質(zhì)釋放出的熱量為30 J，遠遠小于液態(tài)電解質(zhì)150 J 的釋放熱量，不會使電池溫度升高到正極材料的燃點溫度，因此聚合物鋰離子蓄電池的安全性能相對于普通鋰離子蓄電池有很大的提高。另外固態(tài)或凝膠態(tài)電解質(zhì)不存在泄漏問題，可用鋁塑復(fù)合薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不銹鋼材料作為蓄電池的外殼[11-12]，這將進一步減小蓄電池的質(zhì)量。表5給出了不同種類蓄電池的性能對比。

表5 不同種類蓄電池的性能對比Table 5 The performance of different batteries

3 航天器塑料化的發(fā)展建議

隨著科學(xué)技術(shù)尤其是材料科學(xué)的迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品的塑料化已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，航天產(chǎn)品 也必然會朝著同一個方向發(fā)展。表6給出了國內(nèi)航天器塑料化的發(fā)展建議，并從不同發(fā)展階段塑料化產(chǎn)品的用途、優(yōu)缺點及可行性等方面進行了說明。

表6 國內(nèi)航天器塑料化發(fā)展建議Table 6 The development layout of conductive plastics for aerospace applications

4 結(jié)束語

塑料化將使得航天器變得更加輕小、更容易加工、制造和發(fā)射成本更低并且可設(shè)計性更強。針對國內(nèi)的現(xiàn)狀，建議從電纜網(wǎng)屏蔽層、小型設(shè)備的防靜電外殼作為切入點，進行導(dǎo)電塑料在航天器上的初步應(yīng)用，并開展塑料太陽電池和塑料鋰離子蓄電池等新型產(chǎn)品的研究，為航天器的塑料化打基礎(chǔ)。

1）電磁屏蔽材料是導(dǎo)電塑料在地面最成熟也是最廣泛的應(yīng)用，塑料電磁屏蔽層可替代航天器電纜網(wǎng)的金屬屏蔽層甚至設(shè)備的金屬外殼。其除了具有在重量、成本以及可塑性方面的優(yōu)勢外，更重要的是其電磁屏蔽性能可調(diào)節(jié)，這將會讓航天器的電磁兼容性設(shè)計從粗放型管理轉(zhuǎn)變?yōu)榫毣O(shè)計。

2）塑料太陽電池在柔性、重量和成本方面相比傳統(tǒng)太陽電池有著巨大的優(yōu)勢。由塑料太陽電池制備的超薄柔性太陽電池陣，基于目前的運載能力已可滿足MW 級航天器的功率需求。提高塑料電池的光電轉(zhuǎn)換效率是進一步研究的主要方向。

3）塑料鋰離子蓄電池作為基于導(dǎo)電塑料電解質(zhì)的蓄電池，除具有安全性、比能量方面的優(yōu)勢外，其外形可靈活設(shè)計的特點對航天器的微小型化和進一步集成將起到促進作用。

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