星用熱縮套管力學性能鈷源輻照效應研究

趙春晴，劉宇明，聶翔宇，張永泰，丁義剛，沈自才

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

?

環境及其效應

星用熱縮套管力學性能鈷源輻照效應研究

趙春晴，劉宇明，聶翔宇，張永泰，丁義剛，沈自才

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

目的 研究星用熱縮套管的力學性能（斷裂伸長率和拉伸強度）在空間輻射環境中的退化情況。方法 利用鈷源放射的γ射線模擬地球軌道粒子輻照環境，通過表面形貌分析、輻解氣體分析、X射線光電子能譜分析、紅外光譜分析等多種手段分析熱縮套管力學性能退化的原因。結果 輻照后熱縮套管顏色變深，力學參數出現嚴重退化現象。在最大輻照劑量下，材料斷裂伸長率由414.3%下降為0.06%，拉伸強度由17.43 MPa下降為2.15 MPa，熱縮套管原有力學性能幾乎完全喪失。結論 熱縮套管主鏈出現斷鏈現象，生成可揮發的CO2，CH4等氣體，從而導致樣品力學性能嚴重退化。

熱縮套管；力學性能；輻照；γ射線

航天器在軌期間會遭受空間帶電粒子輻照，其帶來的總劑量效應會引起航天器表面高分子材料結構斷裂，引發材料表面發生化學老化，使其表面脆化，產生微裂紋，進而導致其力、光、電能性能退化，影響航天器在軌的正常工作［1—8］。熱縮套管材料是廣泛應用于航天器中的一類電絕緣材料。例如在磁力矩器引出線端使用熱縮套管，從而起到絕緣、密封、保護電線電纜的作用。熱縮套管類電絕緣材料輻射穩定性研究在核電領域已經開展了大量的工作［9—13］，但在航天器抗輻射設計領域，該類材料的相關研究還比較少［14］。由于空間抗輻射領域對熱縮套管性能關注與核電領域有所不同，分析認為有必要對帶電粒子輻照環境下熱縮套管性能退化等效性進行研究，探討熱縮套管在空間輻射環境下的退化效應。

文中利用輻射源60Co進行地面模擬試驗，研究空間輻射環境中熱縮套管力學性能退化情況，以掌握和了解其空間輻射環境耐受能力，為航天器抗輻射設計提供參考依據。

1　試驗設計

1.1試驗原理

輻射源60Co的衰變時會發射出兩組γ射線，其能量分別為1.173 MeV和1.332 MeV，平均能量為1.25 MeV。γ射線是一種短波長的電磁輻射，又稱為光子。

輻射源60Co產生的γ射線與物質作用過程分為兩個部分，首先通過光電效應、康普頓散射和產生電子對把能量傳遞給電子，然后產生的電子通過電離、激發和彈性散射等幾種形式把能量傳遞給被輻射物質，沉積在物質中的能量使材料或器件的性能發生退化?？臻g帶電粒子輻射環境是帶電粒子（電子和質子）通過電離、激發和彈性散射等過程把能量直接傳遞給物質，損失的能量在物質中累積而產生總劑量效應。兩者雖然與物質作用的過程不同，但主要都是電離效應使材料或器件性能產生退化，所以在效應上是可以等效的，因此鈷源輻射是空間總劑量效應地面最常用的模擬手段之一。

輻射源60Co產生的γ射線能量高，高能γ射線在物質中可均勻地沉積能量，這是地面常用γ射線作為輻照源的一大優勢。

1.2軌道環境分析

地球輻射帶基本模型為AE電子輻射帶、AP質子輻射帶系列模型，目前工程應用的版本為AE-8和AP-8。文中研究的航天器運行環境為GEO軌道，軌道高度為35 786 km，軌道傾角為0°，圖1給出了衛星在軌15年的空間輻射劑量-屏蔽厚度關系，是基于實心球屏蔽模型的分析結果。

圖1　空間輻射劑量深度曲線Fig.1　Dose-depth curve of space irradiation

由計算數據外推，在沒有屏蔽的情況下，15 年GEO軌道環境下外露材料接受的總劑量為2×109rad（Si）。

1.3試驗參數設計

試驗樣品為星用透明熱縮套管，具體參數及其性能測試詳見表1。

表1　透明熱縮套管參數及測試儀器Table1　Parameters of transparent heat-shrinkable sleeve and test instruments

表1中，拉伸強度和斷裂伸長率都為高亞聚乙烯熱縮套管的力學性能參數。拉伸強度為在拉伸試驗中，試樣直至斷裂為止所受的最大拉伸力，其結果以MPa表示；斷裂伸長率是指試樣在拉斷時的位移值與原長的比值，其結果以百分比表示，它是衡量材料韌性的指標，斷裂伸長率越大韌性越好，反之材料就越脆。

鈷源輻照試驗在北京師范大學鈷源輻照系統中進行。該源發射的γ射線能量為1.25 MeV，劑量率范圍為0.06～120 rad（Si）/s。試驗時選擇劑量率120 rad（Si）/s，受經費及時間限制，輻照時間選擇30天，此時總吸收劑量為3×108rad（Si），比實際空間劑量要低。

2　試驗結果與分析

2.1試驗結果

鈷源輻照后樣品外觀變化及力學性能變化曲線如圖2所示。

圖2　鈷源輻照下熱縮套管力學性能退化Fig.2　Mechanical property degradation of the heat-shrinkable sleeve irradiated by γ ray

由圖2可見，γ射線輻照下，熱縮套管力學性能急劇下降，且呈現前期下降快、后期下降慢的特點。在最大輻照劑量下，熱縮套管的斷裂伸長率由414.3%下降為0.06%，下降幅度接近100%；拉伸強度由17.43 MPa下降為2.15 MPa，下降幅度約為88%，可見熱縮套管幾乎完全被破壞，原有力學性能完全喪失。

2.2表面形貌分析

鈷源輻照后樣品在幾個劑量點處的外觀變化如圖3所示。γ射線輻照下樣品由透明變為黃色，呈逐漸加深的趨勢，且最大劑量點處有明顯脆化現象。

圖3　鈷源輻照下熱縮套管顏色變化Fig.3　Color variation of the heat-shrinkable sleeve irradiated by γ ray

熱縮套管在鈷源輻照前后的表面形貌分析圖如4所示。

圖4　熱縮套管輻照前后形貌Fig.4　Exterior appearance of heat-shrinkable sleeves before and after being irradiated

由圖4可見，樣品輻照前表面比較平滑，鈷源輻照后表面出現細微裂紋。分析認為γ射線對材料微觀形貌造成明顯損傷，且出現脆化現象，稍受外力作用便出現明顯裂紋，這與前面力學性能測試結果及外觀檢測結果相符。

2.3輻解氣體分析

輻照引發聚合物網狀結構斷裂，進而導致其發生交聯或降解等系列變化。無論降解還是交聯，輻照對聚合物的初級作用都是使聚合物激發或電離，產生一系列短壽命的中間產物，如自由基、陰離子及陽離子。

判斷樣品的輻射穩定性，主要分析其主鏈的斷裂情況。通過對熱縮套管輻解氣體產物的氣相色譜分析，發現輻解氣體產物以H2，CH4，CO和CO2為主，其中H2的生成量最高，另有少量的乙烷和丙烷存在。在氣體分析中，CO2是監測重點，這是由于CO2的產生主要源于高亞聚乙烯長鏈的斷裂，即高亞聚乙烯的斷鍵程度可通過CO2的生成量（斷鍵數）與初始總鍵數來表征。氣相色譜分析結果如圖5所示［15］。結果表明，隨著輻照量的進一步增加，斷裂程度增加，從而對應的樣品的力學性能（斷裂伸長率、拉伸強度）出現下降趨勢。

圖5　吸收劑量對材料斷鍵率的影響Fig.5　Variation of broken chemical bonds versus the absorbed dose

2.4X射線光電子能譜分析

高亞聚乙烯熱縮套管由硅烷交聯法制備，利用聚乙烯和有機硅烷發生接枝反應得到可交聯的硅烷接枝聚乙烯，然后通過后續催化水解縮合反應制備出熱縮套管，主要成分為C2H4，另外含有硅和氧物質。通過X射線光電子能譜分析手段檢測到樣品的成分，見表2。

表2　高亞聚乙烯熱縮套管材料各元素含量變化Table 2　Variation of elements contents in low-density polyethylene heat-shrinkable sleeves

對于輻照前的樣品，主要以高亞聚乙烯長鏈為主，其中有Si—O鍵交聯結構。輻照試驗后，樣品中碳的含量呈下降趨勢，而氧的含量呈上升趨勢，可以推測熱縮套管樣品發生了斷裂現象。有部分C分子鏈斷裂生成可揮發的C化合物，如CO2，CH4等，從而導致樣品的力學性能出現急劇下降現象，該結果與輻解氣體分析結果相符。

2.5紅外光譜分析

聚乙烯主要是C2H4結構，從紅外光譜可以看出存在2916 cm-1CH2反對稱伸縮振動、2849 cm-1CH2對稱伸縮振動、1464 cm-1CH2平面變焦振動、719 cm-1碳鏈面內搖擺振動等主要吸收峰。輻照后的熱縮套管紅外光譜與原樣相比，特征峰更強，且輻射后新增加了1712 cm-1的特征峰，推測此處的吸收峰為樣品輻射后降解氧化產生的羥基的吸收峰。

圖6　高亞聚乙烯熱縮套管紅外光譜Fig.6　Analysis of infrared spectrograph of low-density polyethylene heat-shrinkable sleeves

3　結論

本研究采用鈷源發射的γ射線模擬空間帶電粒子輻射環境，研究星用熱縮套管力學性能的退化情況，形成如下初步結論。

1）經γ射線輻照后熱縮套管力學性能（斷裂伸長率和拉伸強度）呈大幅下降的趨勢，最大劑量處樣品力學性能幾乎完全喪失。

2）樣品表面出現顏色由透明變為黃色并脆化的現象，經微觀表面形貌分析發現，γ射線輻照后樣品微觀表面均出現裂紋現象，這為樣品出現脆化、力學性能下降提供佐證。通過輻解氣體分析和X射線光電子能譜分析發現，高亞聚乙烯主鏈出現斷鏈現象，生成可揮發的CO2，CH4等氣體，從而導致樣品力學性能下降或消失。通過紅外光譜分析發現，輻射后熱縮套管新增加了1712 cm-1的特征峰，推測此處的吸收峰為樣品輻照降解氧化產生的羧基的吸收峰。多種分析手段表明，樣品主鏈斷裂是其力學性能退化的原因。

［1］王旭東，何世禹，楊德莊.電子通量對ZnO/K2SiO3熱控涂層光學性能的影響［J］.強激光與離子束，2002，14（3）：476—480.

WANG Xu-dong，HE Shi-yu，YANG De-zhuang.Effects of Electron Irradiation Energy on Optical Properties of ZnO/K2SiO3Thermal Control Coatings［J］.High Power Laser and Patical Beams，2002，14（3）：476—480.

［2］PURVIS C K.Design Guidelines for Assessing and ControllingSpacecraftChargingEffects［R］.NASA Technical Paper 2361，1984.

［3］DESHPANDE M S，HADARA Y.Development of TailorableElectricallyConductiveThermalControl Material Systems［R］.NASA，CR-208487，2008.

［4］MELL R J，WERTZ G E.Testing and Optimization of Electrically Conductive Spacecraft Coatings［J］.NASA/ CR-2001-211411，2001.

［5］盧榆孫，王隴民.柔性熱控材料性能的試驗方法研究［J］.真空與低溫，2000，6（1）：8—14.

LU Yu-sun，WANG Long-min.Research on Test Method of Flexible Thermal Control Coating’Cability［J］.Vacuum and Cryogenics，2000，6（1）：8—14.

［6］王志民，盧榆孫，馮煜東，等.空間輻射與原子氧環境對導電型熱控涂層薄膜性能影響［J］.真空與低溫，2004，10（3）：152—158.

WANG Zhi-min，LU Yu-sun，FENG Yu-dong，et al. InfluenceofSpaceRadiationandAtomicOxgen Enviroment on Performance of Conductive Thermal Control Film［J］.Vacuum and Cryogenics，2004，10（3）：152—158.

［7］翟睿瓊，姜海富，田東波，等.空間站原子氧環境仿真研究［J］.裝備環境工程，2014，11（3）：35—39.

ZAI Rui-qiong，JIANG Hai-fu，TIAN Dong-bo，et al. Simulation of Atomic Oxygen Interaction with Space Station［J］.Equipment Enviromental Engineering，2014，11（3）：35—39.

［8］駱晨，劉明，孫志華，等.航空結構材料環境適應性研究進展及發展方向［J］.裝備環境工程，2014，11（6）：10—14.

LUO Chen，LIU Ming，SUN Zhi-hua，et al.Research ProgressandDevelopmentTrendinEnvironmental WorthinessofAeronauticalStructuralMaterials［J］. EquipmentEnviromentalEngineering，2014，11（6）：10—14.

［9］金天雄，黃興溢，馬芝森，等.γ輻照交聯聚乙烯絕緣電纜水樹行為的研究［J］.絕緣材料，2008，41（6）：50—53.

JIN Tian-xiong，HUANG Xing-yi，MA Zhi-sen，et al. Experimental Research on Water Treeing Behavior of Gammar Irradiated XLPE Cable Insulation［J］.Insulating Materials，2008，41（6）：50—53.

［10］ 孫建生，陸燕紅，曲文波，等.核電站1E級電纜材料的輻照老化試驗研究［J］.電線電纜，2010（1）：26—28.

SUN Jian-sheng，LU Yan-hong，QU Wen-bo，et al.Study of the Irradiation Ageing Test of the Materials for Class 1E Cables for Nuclear Power Plant［J］.electric wire& cable，2010（1）：26—28.

［11］ MANSOURSA.Effectsofγ-irradiationonthe Mechanical and Relaxation Behavior of High and Low Density Polyethylene［J］.Egypt J Sol，2001，24（1）：89—100.

［12］COTA S S，VASCONCELOS V，SENNEJR M.Changes in Mechanical Properties Due to Gamma Irradiation of High-density Polyethylene（HDPE）［J］.Brazilian Journal of Chemical Engineering，2007，24（2）：259—265.

［13］ 唐超，廖瑞金，周天春，等.伽馬射線對低密度聚乙烯的空間電荷陷阱特征影響［J］.中國電機工程學報，2012，32（22）：188—194.

TANG Chao，LIAO Rui-jin，ZHOU Tian-chun，et al. InfluenceofGammaIrradiationonSpaceCharge Trapping Characteristics in Low Density Polyethylene［J］. ProceedingsoftheChineseSocietyforElectrical Engineering，2012，32（22）：188—194.

［14］ 劉宇明，丁義剛，姜利祥，等.熱縮套管絕緣性能輻照效應研究［J］.航天器環境工程，2010，27（1）：59—62.

LIU Yu-ming，DING Yi-gang，JIANG Li-xiang，et al. Radiation Effects on the Insulation Properties of HeatshrinkableSleeves［J］.SpacecraftEnvironment Engineering，2010，27（1）：59—62.

［15］ 黃瑋，熊潔，高小鈴，等.聚乙烯線纜材料的輻射穩定性［J］.核化學與放射化學，2007，29（4）：244—247.

HUANG Wei，XIONG Jie，GAO Xiao-ling，et al. Radiation Stability of Polyethlene Cable［J］.Journal of NuclearAnd Radiochemistry，2007，29（4）：244—247.

60Co Radiation Effects on the Mechanical Properties of Heat-shrinkable Sleeves for Satellites

ZHAO Chun-qing，LIU Yu-ming，NIE Xiang-yu，ZHANG Yong-tai，DING Yi-gang，SHEN Zi-cai
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094，China）

Objective To research the degradation of the mechanical properties（elongation at break and tensile strength）of heat-shrinkable sleeves for satellites in the spatial radiation environments.Methods The reason for the degradation of mechanical properties of the heat-shrinkable sleeves was analyzed in the simulated earth’s orbit particle radiation environment with γ rays radiated by60Co through various means，such as surface topography analysis，radiolysis gas analysis and infrared spectrum analysis with X-ray photoelectron spectroscopy，etc.Results The result indicated that the color of the heat-shrinkable sleeves became darker after being radiated and there was obvious degradation of the mechanical properties.The elongation at break of the materials degraded from 414.3%to 0.06%，and the tensile strength degraded from 17.43 MPa to 2.15 MPa at the maximum radiation.The original mechanical properties of the heat-shrinkable sleeves were almost completely lost.Conclusion The main chain of heat-shrinkable sleeve is broken and volatile gases CO2and CH4，etc.are generated，which causes the degradation of the mechanical properties.

heat-shrinkable sleeve；mechanical property；irradiation；γ rays

2016-03-01；Revised：2016-04-25

LIU Yu-ming(1978—),Male,from Qingdao,Shandong,Doctor,Senior engineer,Research focus:evaluation of material performance under space radiation environment.

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.029

TJ04

A

1672-9242（2016）04-0180-05

2016-03-01；

2016-04-25

趙春晴（1981—），女，江蘇徐州人，碩士，工程師，主要研究方向為空間輻射環境材料下性能評估技術。

Biography：ZHAO Chun-qing(1981—),Female,from Xuzhou,J iangsu,Master,Engineer,Research focus:evaluation of material performance under space radiation environment.

劉宇明（1978—），男，山東青島人，博士，高級工程師，主要研究方向為空間輻射環境材料下性能評估技術。