錦綸材料空間環(huán)境適應(yīng)性研究

隋 蓉 蔣 偉 張文博

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，越來越多的柔性非金屬材料應(yīng)用到航天器上，柔性結(jié)構(gòu)具有可折疊，質(zhì)量小，展開面積、體積大，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)無法企及的某些功能［1］?？椢锊牧献鳛榈湫偷娜嵝越Y(jié)構(gòu)材料，在空間柔性可展開結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用。錦綸作為常用的合成纖維柔性材料其具有成本低、工藝性能穩(wěn)定、應(yīng)用范圍廣的特點在宇航任務(wù)中多次使用［2］，隨著航天活動范圍的拓展，錦綸材料的應(yīng)用范圍逐漸拓展至環(huán)境條件更為苛刻的空間環(huán)境領(lǐng)域［3］，且面臨長期在軌的任務(wù)需求。本文介紹了錦綸材料在空間環(huán)境使用的空間環(huán)境適應(yīng)性評價指標，針對空間環(huán)境應(yīng)用特點，規(guī)劃并實施了空間環(huán)境適應(yīng)性評價試驗。

1 空間環(huán)境評價指標

航天器材料的空間環(huán)境適應(yīng)性是其區(qū)別于其他材料的一項重要特性［4-6］。對于在空間環(huán)境使用的各種宇航材料及元器件，針對其使用環(huán)境開展空間環(huán)境適應(yīng)性研究是必要的［7-8］。錦綸材料在空間中的應(yīng)用環(huán)境可分為航天器艙內(nèi)密閉空間環(huán)境、艙外環(huán)境［9］。艙內(nèi)環(huán)境的特點為密閉、非真空及無原子氧、紫外輻照。隨著載人航天技術(shù)的不斷發(fā)展，艙內(nèi)環(huán)境還需要考慮人員生命安全的問題。出于航天器在軌運行安全性考慮，航天器需要所用材料具有阻燃性能；為了使航天器的安全防火設(shè)計和實施提供依據(jù)，需要考察材料燃燒后產(chǎn)物種類和數(shù)量、產(chǎn)煙特性。此外，為了對航天器的有害氣體控制和實施提供依據(jù)，需要對逸出有害氣體情況進行評價，對于長壽命航天器在軌使用材料，則需要考慮材料壽命因素對逸出有害氣體的影響。在艙內(nèi)環(huán)境使用時，織物材料的抗菌防霉特性也是材料在空間環(huán)境應(yīng)用的一個重要評價指標。對于艙外環(huán)境，其環(huán)境特點為真空、高低溫交變、電離輻射、紫外輻照與原子氧等共存［10-14］。為了綜合評價錦綸材料在空間環(huán)境中的應(yīng)用，針對艙門、艙外環(huán)境的特點及航天任務(wù)的需求，從燃燒性能、逸出有害氣體、真空質(zhì)損、真空可凝揮發(fā)物、抗菌防霉、原子氧、紫外輻照、交變溫度、電離輻射9 個方面通過試驗的方式評價錦綸材料在空間環(huán)境中的使用性能。

2 空間環(huán)境適應(yīng)性評價研究

本文所選的材料為K59321 錦絲綢，是一種在航空、航天領(lǐng)域廣泛使用的錦綸材料，該材料制造原絲為錦綸66。由北京邦維公司生產(chǎn)，執(zhí)行技術(shù)標準Q/WFWF—005—1995。在錦綸材料中具有代表性，試驗結(jié)果可作為其他錦綸材料應(yīng)用的參考。

2.1 地面狀態(tài)阻燃試驗

地面狀態(tài)阻燃試驗依據(jù)HB5470—2014 測試要求和HB5469—2014 實驗方法進行，試驗設(shè)備為HVFAA 燃燒箱，火焰溫度為850℃，試件預(yù)處理溫度為20～21 ℃，濕度為48～52%，預(yù)處理時間為24 h，分別進行了12 s 垂直燃燒試驗和15 s 水平燃燒試驗。試驗結(jié)果見表1表2。

“現(xiàn)在產(chǎn)品下高速到市場5分鐘就可以賣貨了。”李文明說。從長沙繞城高速公路干杉收費站到長沙黃興海吉星國際農(nóng)產(chǎn)品物流園1.5公里，5分鐘即可到達。交通發(fā)達了，走高速公路，產(chǎn)品進來快，出去快，還能享受綠色通道政策優(yōu)惠?！斑^去批1塊錢1斤的蔬菜，現(xiàn)在7毛錢可以批，蔬菜批發(fā)價格比馬王堆蔬菜批發(fā)市場時相比下降30%，主要是量做上來了。”談及高速公路對他生意的助益，李文明贊不絕口。

表1 K59321錦絲綢12 s垂直燃燒試驗數(shù)據(jù)情況Tab.1 12 second ignition vertical test of K59321

表2 K59321錦絲綢15s水平燃燒試驗數(shù)據(jù)情況Tab.2 15 seconds horizontal ignition test of K59321

空間中的帶電粒子輻射主要成分由質(zhì)子、電子和各種離子，可能會對航天器材料造成輻射損傷，為了考察錦綸材料的抗電離輻射性能，開展錦綸材料的電離輻射試驗。錦綸在經(jīng)過最大劑量為9 666 rad的輻射后測量其力學(xué)性能（斷裂強力和斷裂伸長率）的損失情況見圖2。

2.2 地面狀態(tài)燃燒產(chǎn)物試驗

地面狀態(tài)燃燒產(chǎn)物試驗，試驗依據(jù)HB/Z277—1995 測試要求和HB7066—1994 實驗法方法進行試驗，試驗設(shè)備為SD-1-C-X 型煙密度箱，試驗溫度為20～21℃，濕度為48%～52%，預(yù)處理時間為24 h，熱流量為2.5 W/cm2，箱體溫度為35 ℃。試驗結(jié)果如表3所示，燃燒產(chǎn)物遠低于HB/Z277—1995 標準要求，可滿足空間環(huán)境的使用。

隨機選取2016年9月～2018年9月在我院接受手術(shù)治療的患者96例作為研究對象，其中，普外科手術(shù)42例、骨科手術(shù)33例，婦科手術(shù)21例，對以上所有患者的臨床資料開展回顧性分析。將其隨機分為兩組，各48例。其中，對照組在手術(shù)過程中實施常規(guī)化護理，男29例，女19例，年齡17～74歲；觀察組在手術(shù)過程中實施舒適化護，男25例，女23例，年齡21～77歲。兩組患者的一般資料比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

表3 K59321錦絲綢燃燒產(chǎn)物試驗Tab.3 Combustion products test of K59321

2.3 逸出有害氣體試驗

本次試驗將按上述兩種試驗指標分別進行獨立原子氧、獨立紫外輻照、原子氧與紫外輻照協(xié)同試驗。試驗全程采取控溫措施，將溫度控制在50 ℃以下，以消除熱效應(yīng)的附加影響。子樣設(shè)置方面，按每組試驗設(shè)置4個子樣，考慮到試驗后便于協(xié)同試驗與獨立試驗的對比分析及對材料強力的影響趨勢分析，并設(shè)置空白對照組（不進行原子氧和紫外輻照）。試驗共分為7組，具體試驗工況見表8。

K59321錦絲綢逸出有害氣體試驗脫出總有機物檢測結(jié)果如表4 所示。對于空間在軌長期使用的錦綸材料，考慮采用兩種不同生產(chǎn)日期的材料進行試驗，試驗時間為2018年11月，兩種材料在試驗時的儲存時長壽命分別為3 個月、6年，結(jié)果可知，材料脫出總有機物均滿足總體指標要求，新材料的逸出有害氣體表現(xiàn)更優(yōu)。兩種生產(chǎn)日期的材料均未見有CO 氣體脫出。氣味評價滿足≤1.5 級的要求。試驗結(jié)果充分證明在逸出有害氣體指標方面，K59321 材料空間環(huán)境適應(yīng)良好。

表4 兩個生產(chǎn)日期的K59321逸出有害氣體試驗結(jié)果Tab.4 Hazardous gas test results of K59321 from 2 prduction dates

2.4 真空中材料質(zhì)量損失及可凝揮發(fā)物試驗

原子氧和紫外輻照是空間環(huán)境中對材料性能影響顯著的兩個因素。在200～700 km低地球軌道上同時存在原子氧環(huán)境和紫外輻照環(huán)境，大量飛行試驗和地面模擬試驗結(jié)果表明，原子氧和紫外環(huán)境是造成低地球軌道航天器用表面材料退化的主要原因［15-16］。

球蟲病主要危害雛雞，感染球蟲后土雞的腸壁細胞被破壞，不僅腸道出血，還會影響多種營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，病雞生長發(fā)育緩慢，產(chǎn)蛋減少，雛雞發(fā)病率死亡率高，病愈雛雞生長滯后，抵抗力低，易患其他疾病，給養(yǎng)殖戶造成巨大的經(jīng)濟損失。

航天器在軌運行期間其表面溫度會呈現(xiàn)交替變化的特點，為了研究錦綸材料在高低溫交變環(huán)境下的力學(xué)特性，開展錦綸材料交變溫度循環(huán)試驗。溫度循環(huán)循試驗工況定為-70～100 ℃。溫箱的升/降溫速度為3 ℃/min。試驗參考《航天器熱控涂層試驗方法 第8 部分：熱循環(huán)試驗》（GJB 2502.8—2015）進行，熱循環(huán)次數(shù)300次。每40 min經(jīng)歷一次高低溫循環(huán)。試驗設(shè)置空白對照組。溫循試驗后與空白對照組對比，從斷裂強力隨溫循次數(shù)的變化曲線來看（圖1），斷裂強力受溫循次數(shù)影響小，幾乎無變化。

表5 K59321真空質(zhì)損和可凝揮發(fā)物試驗結(jié)果Tab.5 Vacuum mass loss and condensable volatiles of K59321 %

K59321 可補償質(zhì)量損失（RML）為0.28%，K59321 錦絲綢總質(zhì)量損失中大部分是水汽，約占總質(zhì)量損失部分的87.6%，其余部分僅約占12.4%。由于K59321 錦絲綢由聚酰胺纖維經(jīng)過整徑-織造-染色-定型等一系列工藝過程加工而成?？椢锊牧衔鼭裥允瞧淦毡樘匦?，錦綸材料的公定回潮率約為4.5%?？椢锊牧弦坏┓胖迷谡婵窄h(huán)境中，水份會被釋放掉，因此，不同于金屬材料和其他固體類非金屬材料，織物材料因含濕量大，依據(jù)可能揮發(fā)物測量結(jié)果，可認為錦綸材料有極低的真空污染特性。

2.5 抗菌防霉材料試驗

錦絲綢抗菌性能測試依據(jù)《紡織品抗菌性能的評價》第3 部分：振蕩法進行；防霉性能依據(jù)《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》第10 部分：霉菌試驗（GJB150.10A-2019）進行。選用金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和白色念珠菌菌種作為試驗菌種。

針對這部分老人，劉主任給出建議，“在遇到家庭矛盾時，應(yīng)多與孩子溝通，畢竟子女孫兒都是親生的。家庭不和諧，別說旅行，做什么都會不開心的?。∮H情為上，根據(jù)家庭具體情況，量力而為，達成一致意見是很有必要的?！?/p>

表6 抗菌性能試驗結(jié)果Tab.6 Antimicrobial performance test results

表7 防霉性能試驗結(jié)果Tab.7 Anti-fungal performance test results

2.6 原子氧、紫外輻照試驗

真空中材料質(zhì)量損失試驗依據(jù)《真空中材料揮發(fā)性能測試方法》（QJ1558）進行，樣品恒溫恒濕24 h，溫度23 ℃，相對濕度50%；樣品真空放氣24 h，試驗溫度為75 ℃，真空度為7 mPa，收集板凝結(jié)溫度為25 ℃。將錦綸材料制備成試樣，在恒溫恒濕箱中存放24 h 后，放入樣品舟中。在真空中均勻加熱放有試樣的樣品舟，使試樣出氣，出氣分子沉積到維持恒定溫度的收集板上，通過稱量此過程前后放有試樣的樣品舟的質(zhì)量變化，經(jīng)過計算獲得總質(zhì)量損失（TML），并通過稱量測試前后收集板質(zhì)量的變化，經(jīng)過計算獲得收集的可凝揮發(fā)物（CVCM）。本方法還可將測試后的試樣重新經(jīng)恒溫恒濕存放后，再次稱量試樣質(zhì)量，得到水汽回吸量（WVR）。真空中材料質(zhì)量損失試驗結(jié)果如表5 所示?？紤]到可凝揮發(fā)物是對航天器產(chǎn)品污染的主要因素，就K59321 錦絲綢材料而言，由于收集的可凝揮發(fā)物實測結(jié)果很小，因此可認為K59321 錦絲綢不會對外界設(shè)備造成危害，真空污染性極低。

K59321 錦絲綢的抗菌性能試驗結(jié)果如表6 所示，防霉性能試驗結(jié)果如表7 所示，在艙內(nèi)環(huán)境使用的航天產(chǎn)品，直接暴露在艙內(nèi)的紡織品材料對金黃色葡萄球菌及大腸桿菌的抑菌率需大于等于70%，或?qū)Π咨钪榫囊志市璐笥诘扔?0%。試驗結(jié)果表明，錦綸材料對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的抑菌率達到90%以上，長霉等級優(yōu)于或等于1 級，抗菌防霉性能表現(xiàn)出友好的空間環(huán)境適應(yīng)性。

原子氧、紫外輻照試驗實施中，分別設(shè)計不同試驗指標進行對比試驗。試驗指標以低軌道空間站在軌運行為背景，空間站在軌飛行15 d 原子氧注量為2.06×1024/m2、在軌飛行24 d 原子氧注量3.29×1024/m2；紫外輻照度為81.3 W/m2。

關(guān)于逸出有害氣體試驗的實驗內(nèi)容包含逸出有害氣體檢測試驗、氣味評價試驗和脫出一氧化碳試驗。氣味評價試驗時封入60 %的氮氣，加熱50 ℃，加熱時間72 h。并在室溫條件下進行了氣味評價試驗，試驗通過在1 L 容器內(nèi)放置50 mL 蒸餾水，在23 ℃條件下放置24 h，通過嗅辨原進行氣味測試。脫出一氧化碳試驗時封入3 L 的氮氣容量至5 L 的采樣袋中，加熱至50 ℃，加熱時間為72 h，將CO測試儀器的探頭伸入被加熱好的氣體容器中直接測出其濃度。

表8 試驗組工況介紹Tab.8 Working conditions of the test group

試驗件力學(xué)性能通過特紡材料拉力試驗機測試。試驗件經(jīng)過原子氧紫外輻照后強度均有所下降，按均值分析，以空白對照組作為參考，計算試驗件在環(huán)境試驗后斷裂強力的下降比例，見表9。試驗結(jié)果表明，在經(jīng)歷單一紫外輻照與單一原子氧環(huán)境后，錦綸材料的斷裂強力均有明顯的下降。而原子氧與紫外輻照的協(xié)同作用對錦綸材料力學(xué)性能的破壞效果大于單因素作用效果，分析造成這一現(xiàn)象的原因是紫外輻照破壞材料化學(xué)鍵，而化學(xué)鍵的斷裂為原子氧的侵蝕提供了通道，加速了原子氧與錦綸材料的氧化反應(yīng)［15］。

表9 試驗件斷裂強力下降比例Tab.9 Percentage decrease of test piece breaking strength %

2.7 交變溫度

對EP（D）M產(chǎn)品而言，重要的不單是幾個主要指標參數(shù)（如門尼黏度、乙烯含量、第三單體含量和充油份數(shù)）的變化范圍要窄，Keltan也通過積極參加相關(guān)標準委員會（如荷蘭標準制定組織NEN，國際標準化組織ISO，美國試驗材料學(xué)會ASTM等）及其相關(guān)會議，持續(xù)探索最適合的測試方法。近年來，Keltan在開發(fā)EP（D）M化學(xué)組成及支化度等測試上作出了非常突出的貢獻。

圖1 斷裂強力平均值隨溫循次數(shù)變化曲線Fig.1 Variation of average breaking strength with temperature cycle number

2.8 電離輻射

試驗結(jié)果表明，K59321錦絲綢的阻燃性能良好，可滿足空間環(huán)境的使用高要求。

強化大局意識。軍民融合是國家發(fā)展戰(zhàn)略，是必須長期堅持的一項基本國策。要切實強化軍地各級、各部門“講融合就是講政治、抓融合就是抓建設(shè)、促融合就是促發(fā)展”的大局意識，充分認清軍民融合是協(xié)調(diào)推進“四個全面”戰(zhàn)略布局的重大舉措，自覺打破狹隘的本位主義、部門利益和個人利益的束縛，切實把國防和軍隊建設(shè)融入經(jīng)濟社會發(fā)展體系，確?！八膫€全面”各項任務(wù)落到實處。

圖2 斷裂強力、斷裂伸長率隨電離輻照劑量變化曲線Fig.2 Variation of fracture strength and elongation with dose of ionizing radiation

分析試驗結(jié)果，考慮到織物材料本身力學(xué)性能具有一定的離散性，可認為試驗件經(jīng)Co-60 γ射線輻射源照射，總吸收劑量為9 666 rad 時，斷裂強力與斷裂伸長率均未發(fā)生明顯變化。錦綸材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電離輻射性能。

3 結(jié)論

本文介紹了錦綸材料在空間環(huán)境使用的空間環(huán)境適應(yīng)性評價指標，針對空間環(huán)境應(yīng)用特點，規(guī)劃并實施了空間環(huán)境適應(yīng)性評價試驗，并介紹了相關(guān)試驗的試驗過程及如下結(jié)論：

（1）錦綸材料在燃燒性能、逸出有害氣體、真空質(zhì)損和可凝揮發(fā)物、抗菌防霉、耐受交變溫度、電離輻射中表現(xiàn)出友好的環(huán)境適應(yīng)性；

（2）在遭受原子氧、紫外輻射時材料的力學(xué)性能會有明顯下降，且原子氧與紫外輻照協(xié)同效果對錦綸材料的力學(xué)性能破壞具有加強效果；

（5）孕育處理 分3次孕育，包括球化時的埋包孕育、球化完畢的倒包孕育、澆注時的隨流孕育，總孕育量控制在鐵液重量的0.6%～0.9%。

（3）錦綸材料可作為空間艙內(nèi)環(huán)境長期使用的材料，在艙外環(huán)境使用時，需要特別考慮其力學(xué)特性受到原子氧、紫外輻照的影響。

本文提供了詳細的試驗數(shù)據(jù)，可以作為航天產(chǎn)品設(shè)計工作的參考。