深空探測用柔性太陽毯的制備及性能

武海生 田桂芝 吳躍民 徐 挺 劉 佳

（1 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

（2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

文 摘 面向我國深空探測任務(wù)用新型柔性太陽毯，開展了柔性復(fù)合材料制備工藝技術(shù)、性能評價(jià)研究。結(jié)果表明，采用模壓聚酰亞胺纖維增強(qiáng)有機(jī)硅橡膠柔性復(fù)合材料，能夠滿足柔性太陽毯需求。自動涂膠工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高黏度硅橡膠均勻薄涂在聚酰亞胺薄膜表面。對比測試表明，硅烷偶聯(lián)劑能夠提高柔性太陽毯的T剝離強(qiáng)度，但使其低溫柔韌性下降。

0 引言

小行星、木星等地外行星探測，面臨低光照強(qiáng)度、低溫空間環(huán)境，其太陽輻射強(qiáng)度不足地球的15%，甚至更低。為了提供足夠能源，通常需要為探測器配置超大面積太陽翼，以彌補(bǔ)弱光照條件。美國國家航空航天局（NASA）2011年8月成功發(fā)射的木星探測器“朱諾號”配置了星形分布的三套剛性蜂窩夾層構(gòu)型太陽翼，單套太陽翼尺寸達(dá)8.9 m×2.7 m，但在木星附近也只能提供約400 W 功率。隨著我國深空探測任務(wù)的推進(jìn)，探測器功率需求日益提升，受火箭運(yùn)載能力及幾何包絡(luò)限制，傳統(tǒng)剛性∕半剛性、柔性太陽翼在質(zhì)量、展開-收攏面積比、結(jié)構(gòu)剛度等方面技術(shù)劣勢凸顯，將難以滿足需求；而采用柔性太陽毯構(gòu)型的新型柔性太陽翼則具有相應(yīng)優(yōu)勢，美國原Orbital ATK 公司研發(fā)的超柔性（UltraFlex∕MegaFlex）太陽翼是典型代表之一，其功率∕質(zhì)量比能夠達(dá)到100 W∕kg，是國際空間站安裝的傳統(tǒng)柔性太陽翼的3 倍以上［1-5］，見圖1。從文獻(xiàn)［6］可知，國外UltraFlex 毯體采用的是Vectran 聚芳酯纖維織物浸漬絕緣硅橡膠，見圖2。

圖1 Orbital ATK公司研發(fā)的UltraFlex超柔性太陽翼Fig.1 Ultra-flexible solar wing developed by Orbital ATK

圖2 Ultra-flex毯體照片F(xiàn)ig.2 Photo of Ultra-flex blanket developed by Orbital ATK

本文面向我國深空探測任務(wù)用新型柔性太陽毯，借鑒國外研制情況，采用柔性復(fù)合材料，從制備工藝技術(shù)、性能評價(jià)等方面開展研究，擬形成典型產(chǎn)品構(gòu)型選項(xiàng)，為相關(guān)探測任務(wù)提供參考。

1 原材料

柔性太陽毯結(jié)構(gòu)，主要用來安裝、支撐太陽能電池片及其電路部分，根據(jù)初步構(gòu)型設(shè)計(jì)，新型柔性太陽毯采用超薄片體構(gòu)型，需要滿足空間低溫環(huán)境（-130∽-190 ℃）下90°、180°大曲率多次折展，并與機(jī)構(gòu)連接、張緊的功能需求，見圖3。

圖3 柔性太陽毯外形剖面示意Fig.3 Outline profile of flexible solar blanket

根據(jù)需求分析，太陽毯體結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用高性能纖維增強(qiáng)柔性高分子基體材料形成柔性復(fù)合材料。增強(qiáng)纖維、高分子基體材料的彈性模量均不宜太高，而二者之間的結(jié)合強(qiáng)度或膠接強(qiáng)度、復(fù)合后的拉伸強(qiáng)度要足夠，且二者耐空間環(huán)境性能要滿足要求。借鑒國外相關(guān)研究，基于目前國內(nèi)宇航領(lǐng)域的材料應(yīng)用情況，形成了柔性太陽毯體選材名錄，見表1。

表1 柔性太陽毯材料選項(xiàng)表Tab.1 Material options for flexible solar blanket

從拉伸強(qiáng)度、模量以及體密度方面看，聚酰亞胺纖維是增強(qiáng)纖維最優(yōu)選項(xiàng)，其材質(zhì)具有較好的耐空間環(huán)境性能，此外較Vectran 纖維，聚酰亞胺纖維為國產(chǎn)，原材料來源自主可控。另一方面，石英纖維盡管力學(xué)性能有差距，但是具有成本優(yōu)勢，而且在介電性能方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

柔性高分子基體方面，有兩個(gè)選項(xiàng)，根據(jù)太陽毯產(chǎn)品對低溫柔性的需求可知，高分子基體的Tg越低越好，因此有機(jī)硅橡膠是優(yōu)先的選項(xiàng)。硅橡膠具有優(yōu)良的耐高低溫、耐紫外線、耐輻照、絕緣等性能，廣泛用于航天、航空、電子等領(lǐng)域［7-8］。另一方面，有機(jī)硅橡膠屬于惰性材料，與各種增強(qiáng)纖維的界面匹配性能較差，是影響最終柔性復(fù)合材料性能的重要因素之一。

圖4 是仿國外同類產(chǎn)品，采用進(jìn)口Vectran 纖維網(wǎng)格織物浸漬單組份有機(jī)硅橡膠制備的太陽毯試件。從試件表觀、室溫彎折特性，以及耐大曲率、多次彎折性能看，硅橡膠能夠滿足柔性太陽毯體的功能需求。

圖4 Vectran纖維增強(qiáng)柔性環(huán)氧太陽毯體試件Fig.4 Solar blanket specimen of Vectran fiber reinforced flexible epoxy resin

2 工藝選型

太陽毯體，為大面積二維薄片體構(gòu)型，設(shè)計(jì)采用單層聚酰亞胺薄膜、單層聚酰亞胺纖維織物，通過有機(jī)硅橡膠復(fù)合而成，見圖5。從構(gòu)型看，主要由兩種成型工藝方法：單片式復(fù)合和卷對卷連續(xù)復(fù)合（Roll to Roll），單片式靈活性強(qiáng)、工藝代價(jià)低，卷對卷工藝效率高、性能一致性好，但設(shè)備裝置復(fù)雜、開發(fā)周期長、代價(jià)高，因此優(yōu)選單片式復(fù)合工藝。

圖5 太陽毯體構(gòu)型剖面Fig.5 Profile of flexible solar blanket structure

單片式復(fù)合工藝，根據(jù)纖維織物構(gòu)型不同，具體可采用正交纏繞復(fù)合工藝，以及成品纖維平紋織物模壓復(fù)合工藝。實(shí)際制作過程中發(fā)現(xiàn)，由于聚酰亞胺等有機(jī)纖維彈性模量較低，采用纏繞工藝時(shí)，纖維容易回彈，導(dǎo)致網(wǎng)格尺寸偏差嚴(yán)重，參見圖6（a），因此，采用成品纖維平紋織物模壓復(fù)合工藝，是柔性太陽毯體的理想工藝選項(xiàng)之一，參見圖6（b）。

圖6 兩種單片式復(fù)合工藝Fig.6 Two monolithic processes

纖維平紋織物復(fù)合，主要是將單層聚酰亞胺薄膜、單層聚酰亞胺纖維織物，通過有機(jī)硅橡膠膠接一體。太陽毯體對面密度均勻性要求高，其面密度影響因素包括，聚酰亞胺織物面密度、聚酰亞胺薄膜的面密度，以及有機(jī)硅橡膠的施膠面密度，前二者由于是商品化產(chǎn)品，面密度精度在±5 g∕m2以內(nèi)，因此，影響太陽毯體面密度及其均勻性的關(guān)鍵在于有機(jī)硅橡膠的施膠面密度及其均勻性。

制定復(fù)合工藝流程如圖7所示。選擇在聚酰亞胺膜表面均勻涂覆有機(jī)硅橡膠，一方面可以通過控制硅橡膠涂覆厚度實(shí)現(xiàn)施膠面密度控制，另一方面復(fù)合固化時(shí)，干態(tài)聚酰亞胺纖維織物能夠提供足夠透氣通道，確保硅橡膠充分浸漬聚酰亞胺纖維織物。

圖7 太陽毯體復(fù)合工藝流程Fig.7 Manufacturing process flow of solar blanket

根據(jù)太陽毯體設(shè)計(jì)狀態(tài)，有機(jī)硅橡膠的涂覆厚度需控制在（0.05～0.08）mm，單次涂覆面積接近5 m2，而有機(jī)硅橡膠的表觀黏度較大，為（80～100）Pa·s，保證如此大面積均勻涂膠厚度是工藝難點(diǎn)。

選擇刮膠涂覆工藝實(shí)現(xiàn)該工序環(huán)節(jié)，借助專用涂膠設(shè)備，通過設(shè)備刮刀推動高黏度有機(jī)硅橡膠在聚酰亞胺薄膜表面形成均勻厚度的膠層。圖8 是大面積聚酰亞胺薄膜表面絲網(wǎng)涂膠后的照片，從圖中可以看出，膠層顏色均勻，實(shí)測多塊涂膠后聚酰亞胺薄膜，計(jì)算涂膠面密度為（85±10）g∕m2，表明膠層厚度比較均勻，能夠滿足太陽毯體設(shè)計(jì)要求，確保與聚酰亞胺織物復(fù)合后結(jié)合牢固。

圖8 大面積聚酰亞胺薄膜絲網(wǎng)涂膠實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 Photo of large-area adhesive coating on polyimide film by silk-screen printing

3 性能評價(jià)

3.1 常溫力學(xué)性能

按照《膠粘劑T剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法撓性材料對撓性材料GB∕T2791—1995》，制備太陽毯體試件，并測試其常溫抗剝離性能，評價(jià)有機(jī)硅橡膠對聚酰亞胺薄膜∕聚酰亞胺織物的膠接性能，見圖9。

圖9 太陽毯體T剝離試件Fig.9 T-peel specimen of flexible solar blanket

試件包括兩種狀態(tài)：（1）聚酰亞胺薄膜∕聚酰亞胺織物∕有機(jī)硅橡膠；（2）聚酰亞胺薄膜（硅烷偶聯(lián)劑處理）∕聚酰亞胺織物（硅烷偶聯(lián)劑處理）∕有機(jī)硅橡膠。

3.2 耐低溫性能

太陽毯體在低溫下保持結(jié)構(gòu)彎折柔性，是其重要服役功能需求。將太陽毯體試件置于液氮（-196 ℃）中，90°反復(fù)彎折200 次，考察其抗彎折柔韌性。試驗(yàn)后取出，恢復(fù)至室溫，觀察其折痕處結(jié)構(gòu)完整情況，見圖10。

圖10 液氮溫度下200次彎折后試件狀態(tài)Fig.10 Specimen of solar blanket after 200 times bending in LN2

3.3 結(jié)果討論

太陽毯試件性能測試結(jié)果見表2。

表2 太陽毯試件性能測試結(jié)果Tab.2 T-peel strength of solar blanket specimens

從表2 可知，采用硅烷偶聯(lián)劑處理過聚酰亞胺膜、聚酰亞胺織物，對應(yīng)的太陽毯試件T 剝離強(qiáng)度更高些，但是由于硅烷偶聯(lián)劑難以在聚酰亞胺織物中分布均勻，導(dǎo)致T剝離強(qiáng)度波動性較大。

另一方面，采用硅烷偶聯(lián)劑處理的太陽毯試件，由于在膠接界面形成了一層脆性偶聯(lián)層，常溫下太陽毯試件的表觀柔性下降，試件整體變得直挺；經(jīng)歷-196 ℃下200 次彎折后，毯體試件產(chǎn)生了輕微折痕，見圖10（b）。而未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的太陽毯試件經(jīng)歷-196 ℃下200 次彎折后，試件結(jié)構(gòu)完整，未產(chǎn)生目視可見異常。

4 結(jié)論

（1）采用有機(jī)硅橡膠作為基體，低模量纖維作為增強(qiáng)體，制備出柔性復(fù)合材料，能夠滿足柔性太陽毯制備需求。國產(chǎn)聚酰亞胺纖維是優(yōu)選增強(qiáng)纖維之一，石英纖維具有成本優(yōu)勢。

（2）刮膠涂覆工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)高黏度硅橡膠大面積均勻薄涂，有效調(diào)控柔性太陽毯的低面密度及力學(xué)性能。

（3）硅烷偶聯(lián)劑能夠提高硅橡膠基柔性太陽毯體的抗剝離性能，但是低溫柔韌性有所下降。