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 北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

（2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

文 摘 面向我國深空探測任務用新型柔性太陽毯，開展了柔性復合材料制備工藝技術、性能評價研究。結果表明，采用模壓聚酰亞胺纖維增強有機硅橡膠柔性復合材料，能夠滿足柔性太陽毯需求。自動涂膠工藝能夠實現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，硅烷偶聯劑能夠提高柔性太陽毯的T剝離強度，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，面臨低光照強度、低溫空間環境，其太陽輻射強度不足地球的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，以彌補弱光照條件。美國國家航空航天局（NASA）2011年8月成功發射的木星探測器“朱諾號”配置了星形分布的三套剛性蜂窩夾層構型太陽翼，單套太陽翼尺寸達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的推進，探測器功率需求日益提升，受火箭運載能力及幾何包絡限制，傳統剛性∕半剛性、柔性太陽翼在質量、展開-收攏面積比、結構剛度等方面技術劣勢凸顯，將難以滿足需求；而采用柔性太陽毯構型的新型柔性太陽翼則具有相應優勢，美國原Orbital ATK 公司研發的超柔性（UltraFlex∕MegaFlex）太陽翼是典型代表之一，其功率∕質量比能夠達到100 W∕kg，是國際空間站安裝的傳統柔性太陽翼的3 倍以上［1-5］，見圖1。從文獻［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Fig.2 Photo of Ultra-flex blanket developed by Orbital ATK

本文面向我國深空探測任務用新型柔性太陽毯，借鑒國外研制情況，采用柔性復合材料，從制備工藝技術、性能評價等方面開展研究，擬形成典型產品構型選項，為相關探測任務提供參考。

1 原材料

柔性太陽毯結構，主要用來安裝、支撐太陽能電池片及其電路部分，根據初步構型設計，新型柔性太陽毯采用超薄片體構型，需要滿足空間低溫環境（-130∽-190 ℃）下90°、180°大曲率多次折展，并與機構連接、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

根據需求分析，太陽毯體結構應該采用高性能纖維增強柔性高分子基體材料形成柔性復合材料。增強纖維、高分子基體材料的彈性模量均不宜太高，而二者之間的結合強度或膠接強度、復合后的拉伸強度要足夠，且二者耐空間環境性能要滿足要求。借鑒國外相關研究，基于目前國內宇航領域的材料應用情況，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表Tab.1 Material options for flexible solar blanket

從拉伸強度、模量以及體密度方面看，聚酰亞胺纖維是增強纖維最優選項，其材質具有較好的耐空間環境性能，此外較Vectran 纖維，聚酰亞胺纖維為國產，原材料來源自主可控。另一方面，石英纖維盡管力學性能有差距，但是具有成本優勢，而且在介電性能方面有其獨特的優勢。

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

圖4 是仿國外同類產品，采用進口Vectran 纖維網格織物浸漬單組份有機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纖維增強柔性環氧太陽毯體試件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型，設計采用單層聚酰亞胺薄膜、單層聚酰亞胺纖維織物，通過有機硅橡膠復合而成，見圖5。從構型看，主要由兩種成型工藝方法：單片式復合和卷對卷連續復合（Roll to Roll），單片式靈活性強、工藝代價低，卷對卷工藝效率高、性能一致性好，但設備裝置復雜、開發周期長、代價高，因此優選單片式復合工藝。

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

單片式復合工藝，根據纖維織物構型不同，具體可采用正交纏繞復合工藝，以及成品纖維平紋織物模壓復合工藝。實際制作過程中發現，由于聚酰亞胺等有機纖維彈性模量較低，采用纏繞工藝時，纖維容易回彈，導致網格尺寸偏差嚴重，參見圖6（a），因此，采用成品纖維平紋織物模壓復合工藝，是柔性太陽毯體的理想工藝選項之一，參見圖6（b）。

圖6 兩種單片式復合工藝Fig.6 Two monolithic processes

纖維平紋織物復合，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，以及有機硅橡膠的施膠面密度，前二者由于是商品化產品，面密度精度在±5 g∕m2以內，因此，影響太陽毯體面密度及其均勻性的關鍵在于有機硅橡膠的施膠面密度及其均勻性。

制定復合工藝流程如圖7所示。選擇在聚酰亞胺膜表面均勻涂覆有機硅橡膠，一方面可以通過控制硅橡膠涂覆厚度實現施膠面密度控制，另一方面復合固化時，干態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 太陽毯體復合工藝流程Fig.7 Manufacturing process flow of solar blanket

根據太陽毯體設計狀態，有機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。

選擇刮膠涂覆工藝實現該工序環節，借助專用涂膠設備，通過設備刮刀推動高黏度有機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涂膠后的照片，從圖中可以看出，膠層顏色均勻，實測多塊涂膠后聚酰亞胺薄膜，計算涂膠面密度為（85±10）g∕m2，表明膠層厚度比較均勻，能夠滿足太陽毯體設計要求，確保與聚酰亞胺織物復合后結合牢固。

圖8 大面積聚酰亞胺薄膜絲網涂膠實物照片Fig.8 Photo of large-area adhesive coating on polyimide film by silk-screen printing

3 性能評價

3.1 常溫力學性能

按照《膠粘劑T剝離強度試驗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，評價有機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：（1）聚酰亞胺薄膜∕聚酰亞胺織物∕有機硅橡膠；（2）聚酰亞胺薄膜（硅烷偶聯劑處理）∕聚酰亞胺織物（硅烷偶聯劑處理）∕有機硅橡膠。

3.2 耐低溫性能

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

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

3.3 結果討論

太陽毯試件性能測試結果見表2。

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

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

另一方面，采用硅烷偶聯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；經歷-196 ℃下200 次彎折后，毯體試件產生了輕微折痕，見圖10（b）。而未經偶聯劑處理的太陽毯試件經歷-196 ℃下200 次彎折后，試件結構完整，未產生目視可見異常。

4 結論

（1）采用有機硅橡膠作為基體，低模量纖維作為增強體，制備出柔性復合材料，能夠滿足柔性太陽毯制備需求。國產聚酰亞胺纖維是優選增強纖維之一，石英纖維具有成本優勢。

（2）刮膠涂覆工藝，能夠實現高黏度硅橡膠大面積均勻薄涂，有效調控柔性太陽毯的低面密度及力學性能。

（3）硅烷偶聯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。