電子輻照Kapton/Al薄膜力學(xué)性能退化規(guī)律與機(jī)理研究

沈自才，牟永強(qiáng)，吳宜勇

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

隨著航天科技的發(fā)展和航天活動(dòng)的增多，航天器的體積和質(zhì)量呈現(xiàn)越來(lái)越大的趨勢(shì)。受運(yùn)載工具有效空間以及運(yùn)載質(zhì)量等的限制，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在研制和發(fā)射等方面均遇到了巨大困難。輕型展開(kāi)結(jié)構(gòu)，由于其具有成本低、體積小、質(zhì)量輕及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)較難實(shí)現(xiàn)的性能或功能，因此成為航天器研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，也是今后航天技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的必然趨勢(shì)。

航天器展開(kāi)結(jié)構(gòu)，尤其是薄膜展開(kāi)式結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于大型天線、大型太陽(yáng)能電池帆板、遮光罩以及太陽(yáng)帆等大型航天器上[1—8]。在超大型航天器或空間基礎(chǔ)設(shè)施如空間太陽(yáng)能電站，薄膜材料將是其結(jié)構(gòu)的重要組成部分。空間環(huán)境是由電子、質(zhì)子、紫外、原子氧、空間碎片、真空、高低溫等組成的復(fù)雜環(huán)境。由于長(zhǎng)期暴露在航天器表面，薄膜材料將直接受到多種空間環(huán)境因素的作用，造成其脆化或者開(kāi)裂，引起其力學(xué)性能退化甚至失效，嚴(yán)重影響航天器的在軌安全和任務(wù)完成。在諸多空間環(huán)境因素中，空間輻射環(huán)境是導(dǎo)致其力學(xué)性能退化的重要因素之一，需要對(duì)其空間輻照力學(xué)性能退化規(guī)律及機(jī)理進(jìn)行研究。

以美國(guó)和日本為代表的航天材料強(qiáng)國(guó)對(duì)航天用薄膜材料的力學(xué)性能退化規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行了大量研究[9—10]，而我國(guó)對(duì)此研究相對(duì)較少[11]。因此，亟需加強(qiáng)航天器用薄膜材料在空間環(huán)境下的力學(xué)性能退化規(guī)律與退化機(jī)理研究，為航天器的設(shè)計(jì)和高性能材料的研制提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。文中以航天器常用薄膜材料Kapton/Al薄膜為研究對(duì)象，以電子輻射環(huán)境為典型環(huán)境代表，研究其在電子輻射環(huán)境下的力學(xué)性能退化規(guī)律，分析其性能退化機(jī)理，探討其在空間環(huán)境下的力學(xué)性能退化評(píng)價(jià)方法。

1 樣品制備與試驗(yàn)

根據(jù)GB 13022—91《塑料薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法》，使用薄膜專用切刀，將厚度為25 μm的Kapton/Al薄膜裁制成寬為15 mm，長(zhǎng)為150 mm，有效長(zhǎng)度為100 mm的長(zhǎng)條型。利用光學(xué)照明放大鏡檢查，去除邊緣有缺陷的樣品。每組試驗(yàn)樣品數(shù)量為5個(gè)。

在電子輻照試驗(yàn)研究中，電子能量選取40 keV，通量為1×1010e/（cm2·s），注量分別為0，2×1015，6×1015，1.0×1016，1.4×1016，1.7×1016e/cm2。利用電子拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)Kapton/Al薄膜進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。對(duì)原樣樣品，分別選取50，100，150 mm/min的拉伸速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以研究拉伸速度對(duì)樣品抗拉性能的影響。對(duì)電子輻照后的樣品，選取100 mm/min的拉伸速度，分析其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨輻照注量的變化關(guān)系。對(duì)輻照前后的試驗(yàn)樣品，利用XPS分析測(cè)試，研究Kapton/Al薄膜材料在電子輻照環(huán)境中的力學(xué)性能退化機(jī)理。

2 結(jié)果分析

1）拉伸速率對(duì)力學(xué)性能的影響。在拉伸速度為50，100，150 mm/min下，Kapton/Al薄膜原始樣品的斷裂伸長(zhǎng)率分別為32.07%，31.29%，23.86%。由此可知，Kapton/Al薄膜材料原始樣品的斷裂伸長(zhǎng)率隨著拉伸速度增加而減小。

2）電子輻照注量對(duì)力學(xué)性能的影響。在電子輻照注量為0，2.0×1015，6.0×1015，1.0×1016，1.4×1016e/cm2下，Kapton/Al薄膜材料的斷裂伸長(zhǎng)率分別為31.29%，25.67%，24.84%，20.7%，19.31%；抗拉強(qiáng)度分別為105.813，103.439，101.35，97.14，95.39 MPa。其擬合圖如圖1所示。

圖1 不同電子輻照注量對(duì)Kapton/Al薄膜力學(xué)性能的影響Fig.1 Influence of different electron irradiation amounts fluence on the mechanical properties property of Kapton/Al film

對(duì)電子輻照環(huán)境下薄膜材料的斷裂伸長(zhǎng)率與輻照注量的關(guān)系進(jìn)行擬合分析可知，其變化規(guī)律為：

式中：y為斷裂伸長(zhǎng)率，%；x為輻照注量，1015e/cm2。

由式（1）可知，Kapton/Al薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率隨電子輻照注量的增加而指數(shù)減小。

對(duì)電子輻照環(huán)境下薄膜材料的抗拉強(qiáng)度與輻照注量的關(guān)系進(jìn)行擬合分析可知，其變化規(guī)律如下：

y=75.05+30.61exp（-x/33.44） （2）

式中：y為指抗拉強(qiáng)度，MPa。

由式（2）可知，Kapton/Al薄膜的抗拉強(qiáng)度隨電子輻照注量的增加而指數(shù)減小。

3 退化機(jī)理分析

Kpaton薄膜是有機(jī)高分子聚合物，其分子式為［（C22H10O5N2）n］，其理論原子分?jǐn)?shù)為：C 75.9%，O 17.2%，N 6.9%。

對(duì)電子輻照注量為0，2×1015，6×1015，1.0×1016e/cm2的Kapton樣品進(jìn)行XPS分析，其組分百分比變化見(jiàn)表1。

由表1分析可知，Kapton/Al薄膜原始樣品表面的成分主要為C和O。在電子輻照初期，O和N的含量急劇增大。這說(shuō)明在電子輻照作用下，O和N原子獲得電子，變?yōu)榧せ顟B(tài)。隨著電子輻照注量的增加，C元素的含量逐漸增加，而O元素和N元素的含量逐漸減小。這說(shuō)明隨著電子輻照注量的增加，樣品表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，C元素在樣品表面開(kāi)始富集，而O元素和N元素則存在釋放出去的可能。C元素的富集可造成薄膜樣品硬度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致其斷裂伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度下降。

表1 不同電子輻射注量下Kapton的組分含量Table 1 Component percentage of Kapton in under different electron radiations%

利用XPS測(cè)試分析，對(duì)不同電子輻照注量下的C元素進(jìn)一步分析，不同化學(xué)結(jié)合能的C元素成分及其百分比見(jiàn)表2和圖2。

表2 不同電子輻照注量下Kapton薄膜的C元素結(jié)合能和面積比Table 2 Building energy and area percentage ratio of C element in Kapton in under different electron radiations

圖2 不同電子輻照注量下Kapton C1s分析Fig.2 XPS of C1sin Kapton after under different electron radiations

由圖2和表2分析可知，隨著電子輻照注量的增加，C＝O先轉(zhuǎn)變?yōu)镃—O，而后C—O含量逐漸減小；樣品表面C—N和C—CO先由無(wú)到有，而后隨電子輻照注量的增加而減小；C—H含量則隨電子輻照注量的增加而逐漸增加。由以上分析可知，在電子輻照下，Kapton/Al薄膜材料發(fā)生了分子鍵斷裂和交聯(lián)，電子輻照使C—CO和C—N鍵斷裂發(fā)生脫氧和脫氮。同時(shí)，電子輻照引起C—H基團(tuán)的含量增大。

4 結(jié)論

1）在未輻照作用下，Kapton/Al薄膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨著拉伸速度增加而減小。

2）Kapton/Al薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率和抗拉強(qiáng)度隨著電子輻照注量的增加而呈指數(shù)減小。

3）Kapton/Al薄膜在電子輻照作用下產(chǎn)生分子鍵斷裂和交聯(lián)。

4）電子輻照環(huán)境下，C—CO和C—N鍵的斷裂及脫氧和脫氮、C—H基團(tuán)含量增大是Kapton/Al薄膜力學(xué)性能降低的主要原因。

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