PVDF薄膜在空間碎片撞擊監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

孔凡金，王建民，劉武剛，劉振皓

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076)

0 引言

目前，人類共有的太空開發(fā)使用環(huán)境發(fā)展正因?yàn)樘账槠兊米铚?；減小空間碎片的危害從而使人類的太空環(huán)境能夠長(zhǎng)期地可持續(xù)發(fā)展，具有極其重要的意義[1]。隨著空間碎片的不斷增加，將不可避免產(chǎn)生空間碎片撞擊事故，航天器的安全、宇航員的生命保障等工作顯得尤為重要和迫切。研究空間碎片撞擊航天器的在軌感知、定位、損傷模式識(shí)別，以及對(duì)空間碎片參數(shù)獲取技術(shù)，可以為航天器的在軌健康監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)修復(fù)、宇航員逃生決策制定等提供服務(wù)支持[2]。為了應(yīng)對(duì)空間碎片對(duì)航天器的威脅，國(guó)內(nèi)外先后提出了多種空間碎片在軌感知系統(tǒng)技術(shù)方案，包括：聲發(fā)射技術(shù)、加速度信號(hào)檢測(cè)法、熱量測(cè)定技術(shù)、光纖撞擊傳感器技術(shù)、PVDF壓電陣列測(cè)定技術(shù)等[3]。在諸多的技術(shù)中，基于PVDF壓電薄膜的陣列式撞擊感知定位技術(shù)，由于其一系列優(yōu)點(diǎn)而越來越多的應(yīng)用空間碎片探測(cè)中，其優(yōu)勢(shì)包括：

(1)陣列式的直接定位方式，原理上定位精度穩(wěn)定可靠，且定位精度不受靶標(biāo)的破損影響。

(2)薄膜響應(yīng)速度快，脈沖上升時(shí)間可以達(dá)到幾十ns，在撞擊粒子著靶時(shí)間測(cè)量上具有先天的優(yōu)勢(shì)。

(3)抗毀傷效果好，只有存在電聯(lián)通就可以有效感知，可承受多次撞擊。

(4)采用壓電原理，無(wú)功耗，性能穩(wěn)定可靠。

當(dāng)前，PVDF薄膜已經(jīng)在伊卡洛斯太陽(yáng)帆[4-5]、SPADUS探測(cè)器[6-7]上得到了應(yīng)用，中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心[8-9]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[10]等也開展了相關(guān)的應(yīng)用研究。但是，國(guó)外的研究中，PVDF薄膜主要用于微米級(jí)別的塵埃計(jì)數(shù)，而國(guó)內(nèi)研究則多是在地面常溫環(huán)境中開展的原理性驗(yàn)證，對(duì)空間高低溫、真空等環(huán)境下的大碎片撞擊下的研究還未開展。

本文圍繞PVDF薄膜在大尺寸空間碎片撞擊監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，研制了遙控的穿孔裝置，用于模擬大尺寸碎片撞擊時(shí)的去極化效應(yīng)，研究了PVDF薄膜在高低溫環(huán)境下的去極化信號(hào)特征以及經(jīng)歷熱真空循環(huán)后的性能變化規(guī)律等，為未來的大尺寸空間碎片撞擊監(jiān)測(cè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 PVDF薄膜不同環(huán)境下的去極化效應(yīng)試驗(yàn)

1.1 PVDF薄膜的去極化效應(yīng)

PVDF薄膜即聚偏二氟乙烯膜(polyvinylidene fluoride)，是一種高分子壓電材料。用PVDF薄膜作為探頭對(duì)空間碎片撞擊進(jìn)行探測(cè)，其物理本質(zhì)是測(cè)量碎片撞擊PVDF膜產(chǎn)生的電荷信號(hào)。一片高速空間碎片撞擊在傳感器探測(cè)器表面，將在表面產(chǎn)生一個(gè)撞擊孔，這個(gè)撞擊孔面積內(nèi)的PVDF材料被撞擊時(shí)將產(chǎn)生去極化效應(yīng)。去極化效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間(ns 級(jí))，要遠(yuǎn)比PVDF 薄膜的壓電響應(yīng)時(shí)間要短，因而，PVDF 壓電薄膜除了壓電效應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)外，還將產(chǎn)生一個(gè)高電流脈沖信號(hào)[11]。獲取和處理這個(gè)快電荷脈沖信號(hào)，即可獲得碎片高速撞擊的相關(guān)信息。

由于去極化效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量與PVDF的極化強(qiáng)度和彈孔面積有關(guān)，在進(jìn)行一維近似后其電荷計(jì)算公式可近似為

ΔQ=PA

(1)

式中：P為PVDF薄膜的極化強(qiáng)度，取為4～6 μC/cm2[12]；A為穿孔面積，cm2。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

為研究PVDF薄膜在不同環(huán)境下的去極化效應(yīng)信號(hào)特征及變化規(guī)律，搭建了去極化效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 去極化效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)分別采用低溫環(huán)境試驗(yàn)箱、熱真空試驗(yàn)艙等環(huán)境模擬裝置模擬PVDF薄膜在空間環(huán)境中經(jīng)受的高低溫環(huán)境和真空環(huán)境。為方便模擬PVDF薄膜被空間碎片擊穿的過程，研制了一種可遠(yuǎn)控的電磁穿孔裝置。電磁穿孔裝置如圖2所示，主要包括穿孔機(jī)構(gòu)和控制面板。裝置共安裝8個(gè)由電磁鐵驅(qū)動(dòng)的穿孔桿，采用交流電磁作為激勵(lì)源，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的按鍵式的激勵(lì)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)PVDF薄膜的打孔，可在不調(diào)整PVDF薄膜情況下連續(xù)進(jìn)行8次穿孔試驗(yàn)。這種設(shè)計(jì)，使得穿孔機(jī)構(gòu)可放置于模擬空間高低溫環(huán)境的溫箱中，通過外部控制面板進(jìn)行穿孔操作，實(shí)現(xiàn)PVDF薄膜高低溫環(huán)境下的去極化信號(hào)研究。

圖2 電磁遠(yuǎn)控穿孔裝置

試驗(yàn)件采用常規(guī)形式的PVDF薄膜傳感器，即在PVDF薄膜的上下表面濺射形成金屬薄膜電極，PVDF薄膜產(chǎn)生的電荷信號(hào)可以通過金屬薄膜電極及引線向后端電路導(dǎo)出。

由于去極化效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)為高頻電荷信號(hào)，需要利用電荷放大器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行采集。當(dāng)前的商用電荷放大器的適用頻率上限較低，以奇士樂(KSL)的電荷放大器為例，對(duì)于200 kHz的正弦信號(hào)，經(jīng)調(diào)理后的信號(hào)相較原信號(hào)衰減達(dá)30%以上，目前還沒有適用于MHz以上頻率的商用電荷放大器。為適應(yīng)高頻信號(hào)的調(diào)理需求，研制了高頻電荷放大器，如圖3所示。同時(shí)，采用信號(hào)發(fā)生器+V/Q轉(zhuǎn)換器+NI5105高速采集卡組成的系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了電荷放大系數(shù)和頻響范圍的標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明，電荷放大器的放大倍數(shù)為105pC/V，響應(yīng)帶寬達(dá)到5 MHz以上。

圖3 高頻電荷放大器

經(jīng)電荷放大器調(diào)理后的電壓信號(hào)通過數(shù)采系統(tǒng)采集，本試驗(yàn)的硬件采用NI5105板卡，采集模式為上升沿觸發(fā)采集，由于電磁穿孔裝置在電路開合瞬間存在較大的電磁干擾，在穿孔前會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的瞬態(tài)脈沖噪聲信號(hào)，恰好可作為觸發(fā)信號(hào)。

1.3 試驗(yàn)過程

首先開展常溫環(huán)境下的穿孔試驗(yàn)，用于研究常溫下的去極化效應(yīng)信號(hào)特征并作為后續(xù)規(guī)律研究基準(zhǔn)，具體試驗(yàn)照片如圖4所示。

圖4 PVDF常溫穿孔試驗(yàn)

常溫去極化效應(yīng)試驗(yàn)完成后，將狀態(tài)相同的PVDF薄膜和電磁穿孔裝置置于高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱中，進(jìn)行了低溫下的去極化效應(yīng)信號(hào)特征研究。試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)完成后的試驗(yàn)件照片如圖5所示。

(a)低溫去極化效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)

(b)試驗(yàn)后的試驗(yàn)件圖5 低溫去極化效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)后試驗(yàn)件

試驗(yàn)時(shí)，溫度從-10 ℃開始每次降溫10 ℃，直至-60 ℃，每待溫度平衡后，通過對(duì)應(yīng)的穿孔口進(jìn)行一次穿孔，然后再降至下一溫度，采用另一穿孔口進(jìn)行穿孔，得到不同溫度下的去極化效應(yīng)信號(hào)。

完成上述試驗(yàn)后，進(jìn)一步開展PVDF薄膜的空間環(huán)境耐受性試驗(yàn)。將PVDF薄膜置于熱真空試驗(yàn)艙中進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。試驗(yàn)中的真空度為mPa，高低溫為70～100 ℃循環(huán)，每個(gè)溫度循環(huán)持續(xù)4 h，循環(huán)10次，共持續(xù)120 h。循環(huán)完畢后取出PVDF薄膜，再次開展去極化效應(yīng)試驗(yàn)，并與前期的去極化效應(yīng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

圖6 熱真空循環(huán)試驗(yàn)設(shè)備

2 PVDF薄膜不同環(huán)境下的去極化效應(yīng)信號(hào)分析

大量常溫環(huán)境下的去極化效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，穿孔引起的去極化效應(yīng)信號(hào)基本一致。典型信號(hào)特征如圖7所示，圖7(a)為整個(gè)時(shí)間歷程的信號(hào)特征，其中第一個(gè)脈沖是電磁敲擊裝置電路閉合時(shí)的電磁干擾，第二個(gè)脈沖是PVDF穿孔過程中的典型信號(hào)。從圖7(b)典型信號(hào)的放大圖中可看出，穿孔時(shí)的信號(hào)脈沖特征明顯，信噪比高且無(wú)明顯雜波。

(a)整體時(shí)間歷程圖

(b)信號(hào)放大圖圖7 典型穿孔信號(hào)特征

對(duì)歷次穿孔獲得的脈沖信號(hào)的峰值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，穿孔時(shí)的峰值均值為2.73 V，樣本總體的標(biāo)準(zhǔn)偏差0.26 V。其中，試驗(yàn)后穿孔直徑的實(shí)測(cè)值約為4 mm，根據(jù)式(1)計(jì)算得到的去極化效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量約為5×10-7C。而根據(jù)高頻電荷放大器的放大倍數(shù)及實(shí)測(cè)電壓結(jié)果，試驗(yàn)測(cè)得的去極化效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量約為2.73×10-7C，約是理論值的50%?？紤]到穿孔試驗(yàn)中電荷泄漏、參數(shù)誤差等一系列不可控因素，試驗(yàn)結(jié)果處在合理范圍內(nèi)。

圖8表示了信號(hào)峰值隨溫度的變化關(guān)系。從圖8可看出，隨著溫度降低，穿孔信號(hào)峰值同時(shí)降低，并呈現(xiàn)加速降低趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，-50 ℃時(shí)PVDF薄膜仍能夠輸出有效的去極化效應(yīng)信號(hào)，不過信號(hào)量級(jí)顯著降低，信號(hào)衰減至常溫下的40%。

圖8 信號(hào)峰值隨溫度的變化

經(jīng)歷真空高低溫循環(huán)后，PVDF常溫下的去極化效應(yīng)信號(hào)如圖9所示。信號(hào)峰值約為2.47 V，與初始信號(hào)基本特征一致，PVDF可以耐受真空mPa，-100～70 ℃的空間環(huán)境。這有效降低了PVDF薄膜在空間應(yīng)用中對(duì)溫控系統(tǒng)的要求，即當(dāng)PVDF薄膜處于非工作狀態(tài)時(shí)無(wú)需進(jìn)行溫控，只在工作時(shí)才進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?，從而降低整體系統(tǒng)的功耗。

3 結(jié)論

常溫環(huán)境下穿孔導(dǎo)致去極化效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的脈沖信號(hào)，信號(hào)噪聲小，重復(fù)性較好。

去極化效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量與材料極化強(qiáng)度和彈孔面積成正相關(guān)，可通過理論計(jì)算進(jìn)行估計(jì)。

PVDF薄膜的去極化信號(hào)隨著溫度的降低而降低，并且信號(hào)降低速度呈加速趨勢(shì)。PVDF薄膜在-50 ℃時(shí)，信號(hào)衰減至常溫下的40%左右。

驗(yàn)證了PVDF薄膜經(jīng)熱真空循環(huán)試驗(yàn)后仍具有可用性，性能較為穩(wěn)定，這降低了對(duì)PVDF非工作時(shí)的熱控要求。