國產高模碳纖維/環氧復合材料的太陽電池板熱循環適應性研究

楊淑利 濮海玲 邵立民 郭天宇 劉穎 高鴻

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2 中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300381）

（3 中國空間技術研究院，北京 100094）

文摘 國產CCM40J-6K高模碳纖維基板的空間高低溫熱循環耐受性是決定其是否可以大規模應用于空間太陽電池板的關鍵因素，必須解決交變熱環境下的面板與電池電路的匹配性和長壽命問題。本文以國產CCM40J-6K高模碳纖維/環氧復合材料的太陽電池板為研究對象，開展了熱循環環境適應性試驗研究，分別從國產和進口碳纖維基板適應高低溫交變能力對比、國產碳纖維基板鋪設電池電路后適應熱環境能力以及電池板在軌壽命等3個方面進行測試試驗。結果表明：國產碳纖維CCM40J-6K所構成的電池板綜合性能與進口M40JB-6K相當，CCM40J-6K基板與三結砷化鎵電池片匹配性良好，國產碳纖維電池板經疲勞熱循環后的開路電壓和短路電流的變化率分別為0.55%和0.24%，太陽電池片和玻璃蓋片外觀完好無損，太陽電池電路與基板聚酰亞胺面保持絕緣，且碳纖維表面無脫粘現象。說明國產碳纖維CCM40J-6K能夠應用于太陽電池板研制。

0 引言

太陽電池板是“基板+電池電路”的組合［1］，其具體組成如圖1所示，以聚酰亞胺膜為分界線，以下部分為基板，以上部分為電池電路。基板表面所粘貼的聚酰亞胺膜，用以滿足太陽電池與基板間的絕緣要求。

圖1 太陽電池板組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the composition of solar cell array

“鋁蜂窩芯+碳纖維復合材料網格面板+聚酰亞胺膜”是基板的典型結構。基板作為太陽電池電路的安裝基礎，需要為太陽電池電路提供支撐和良好的力學環境，要求具有輕質、高剛度、高強度、大尺寸穩定的特性，這些特性主要取決于構成基板主要結構的高模量碳纖維。近年來，進口高模量碳纖維等原材料日益受限、成本高漲；另外，關鍵原材料自主可控是航天技術高質量發展的前提，往往作為重大型號研制的前置條件。因此研究國產高模碳纖維在太陽電池板上的應用研究越來越迫切。

由于航天器在軌運行期間要經歷冷黑環境（地球陰影區）與熱真空（地球向陽面）的交互作用，環境溫度交替變化。由圖1可知，太陽電池板是多種非金屬材料的復合體，且采用膠接連接，各種材料的熱變形系數不同，材料的熱導率較金屬結構顯著降低，在軌溫度交變引起的熱應力和溫度梯度引起的熱變形相對顯著［2-3］，會在一定程度上影響電池板結構完整性，導致電池片脫粘或破損。

為此，在不改變電池板結構中其他原材料的前提下，只改變網格面板的原材料。本文以進口M40JB-6K碳纖維為對比對象［4］，開展基于國產CCM40J-6K碳纖維材料的太陽翼碳纖維網格基板與電池片匹配性驗證以及環境適應性驗證，給出試驗樣件的研制及驗證結果，擬為產品實際應用提供技術參考。

1 兩種碳纖維性能數據對比

M40JB-6K由日本東麗公司生產，國產CCM40J-6K由威海拓展纖維有限公司生產，通過CCM40J-6K 與M40JB-6K兩種纖維性能對比，CCM40J-6K碳纖維拉伸模量為388 GPa，比M40JB-6K碳纖維高3%，拉伸強度為5 035 MPa，比M40JB-6K碳纖維高14%，CCM40J-6K與M40JB-6K碳纖維體密度相同，均為1.77 g/cm3。

2 環境適應性驗證矩陣

根據M40JB-6K碳纖維應用經驗，與電池片匹配后環境適應性驗證主要包括：高低溫交變試驗后電池板的外觀、導通絕緣性能、電性能以及模擬在軌壽命的熱環境試驗。

為進一步證明CCM40J-6K 碳纖維應用于太陽電池板的可行性，根據前文所述太陽電池板設計特點，圖2 給出了擬開展的試驗驗證矩陣，需要從兩種碳纖維基板適應高低溫交變能力對比、國產碳纖維基板鋪設電池電路后適應熱環境能力以及電池板在軌壽命驗證3 個方面進行測試及試驗，獲得基于CCM40J-6K/環氧復合材料的太陽翼基板與電池片匹配工藝參數［5-6］，使之能適應在軌-170～120 ℃的真空高低溫交變的環境影響［7-8］。

圖2 CCM40J-6K碳纖維試驗件環境適應性驗證矩陣Fig.2 Verification matrix of environmental adaptability for CCM40J-6K carbon-fiber test pieces

3 兩種碳纖維材料的基板試驗件熱循環試驗驗證

首先進行單純碳纖維/環氧樹脂基板結構的熱循環試驗，以驗證材料成型后能否保證熱循環后的結構完整性。

分別制作兩種碳纖維CCM40J-6K 和M40JB-6K的試驗件（試驗件上下碳纖維面板均為單層鋪層，網格間距為4 mm×6 mm），對比兩種碳纖維基板經受熱循環試驗后的變化。

選取試驗件共2件進行測試，如圖3所示。

圖3 兩種碳纖維基板試驗件熱循環試驗曲線Fig.3 Thermal-cycle curves of substrate test based on two kinds of carbon fibers

（1）高溫：單點溫度保持在+（120±5）℃，且正面監控點平均溫度大于120 ℃；

低溫：平均溫度低于-170 ℃（低溫時不作均勻性要求）。

（2）降溫速率：從高溫工況到低溫工況以設備的最大能力降溫。

（3）升溫速率：從-165 到80 ℃升溫時間應在45 min左右，最大升溫速率不大于40 ℃/min。

（4）循環次數：共50次循環，循環從低溫開始。

完成試驗后對試驗件表面狀態進行檢查，且通過紅外熱成像儀對該兩種試驗件進行無損探測，如圖4所示，可以看出：

圖4 兩種碳纖維基板試驗件紅外熱成像無損檢測Fig.4 Nondestructive testing by infrared thermal imaging of substrate test based on two kinds of carbon fibers

（1）2 件試驗件正反兩個面的碳纖維正交節點處的膠接狀態良好，無脫粘節點，碳纖維與鋁蜂窩芯的膠接狀態和聚酰亞胺膜與碳纖維的粘貼狀態良好，無脫粘和虛粘接問題；

（2）通過紅外熱成像儀對該兩種試驗件進行無損探測，表明網格間、網格與鋁蜂窩間均膠接良好，說明國產碳纖維CCM40J-6K 基板具有適應溫度交變的能力，進一步證明了國產碳纖維在大尺寸結構件上應用的可行性。

4 CCM40J-6K 碳纖維/環氧復合材料的電池板試驗件熱環境試驗驗證

4.1 基板試驗件

在第一項試驗驗證項目成功的基礎上，面向太陽電池陣實際結構（多層結構），制作1 件CCM40J-6K碳纖維/環氧復合材料基板試驗件，如圖5所示，制作工藝過程與M40JB-6K碳纖維電池陣一致。

圖5 基板試驗件多層鋪層示意圖Fig.5 Schematic diagram of multi-layer substrate

（1）區域1為一層網格間距4 mm×6 mm（頂層）。

（2）區域2 為兩層（頂層+第二層6 mm×4 mm）正交網格。

（3）區域3 為三層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm ）正交網格。

（4）區域 4 為四層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm+第四層6 mm×4 mm）正交網格。

（5）區域5 為三層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm）正交網格。

（6）區域6 為三層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm）正交網格且加密蜂窩芯。

4.2 電池板試驗件

在基板試驗件的基礎上，在基板粘貼聚酰亞胺薄膜面利用三結砷化鎵太陽電池通過串并聯組成電池電路。尺寸為600 mm×600 mm×25.4 mm，在指定位置粘貼真實太陽電池片（電池尺寸為39.8 mm×60.4 mm），共18 片，其他區域粘貼模擬太陽電池片，并在真實電池片粘接的位置引出導線并串接成單串電路，如圖6所示。

圖6 熱循環試驗用試驗件電池板示意圖Fig.6 Schematic diagram of the solar cell panel for the thermal-cycle test

4.3 常壓熱循環試驗

選取該電池板試驗件進行常壓熱循環試驗。試驗工況同第3 節，溫度范圍為-170～+120 ℃，循環次數為50次。

4.4 熱真空試驗

選取該電池板試驗件繼續進行熱真空試驗，如圖7所示，試驗條件如下。

圖7 試驗件電池板熱真空試驗狀態Fig.7 Thermal vacuum test of the solar cell panel

（1）壓力：≤1.3 mPa。

（2）溫度范圍：-170～+120 ℃。

（3）變溫速率：按進出影時的變溫速率預示值設定，不應低于10 ℃/min。

（4）循環次數：4次。

4.5 試驗結果

完成試驗后對試驗件表面狀態進行檢查發現：

（1）試驗前后，對試驗件的互連片和匯流條進行檢查，互連片和匯流條外觀完整，無明顯變化。試驗后，對太陽電池片和蓋片的裂片情況進行了檢查，未發現新增裂片，焊點無脫焊，導線無破損，膠層完好無脫粘現象；

（2）試驗前后，檢測試驗件電路接點導通絕緣情況，結果均正常；

（3）試驗前后，對碳纖維表面進行了檢查，試驗件背面面板網格十字節點及基板正面（貼聚酰亞胺膜面）均未發現有脫粘現象；

（4）國產碳纖維環氧復合材料電池板順利通過熱環境的考核，說明具有承受空間環境溫度交變的能力。

5 CCM40J-6K 碳纖維/環氧復合材料的電池板試驗件疲勞熱循環試驗驗證

為進一步驗證CCM40J-6K 碳纖維/環氧復合材料的電池板在高軌衛星在軌壽命內（15年為例）的電性能是否滿足要求。通過地面試驗模擬在衛星太陽翼受熱環境的溫度變化，驗證在國產碳纖維基板上制作的三結砷化鎵太陽電池陣能否承受溫度交變的能力。

5.1 電池板試驗件

CCM40J-6K碳纖維/環氧復合材料基板試驗件制作情況同4.1節，在此基礎上制作疲勞熱循環試驗用試驗件太陽電池板1塊，尺寸為200 mm×200 mm×25.4 mm，粘貼真實太陽電池片（電池尺寸為30.6 mm×40.3 mm）共20片，電池電路為2并10串，基板背面粘接3組電流分配模塊和3個電纜固定樁，電流分配模塊各安裝1只隔離二極管且單獨引出導線，如圖8所示。

圖8 疲勞熱循環試驗用試驗件電池板的示意圖Fig.8 Schematic diagram of the solar cell panel for fatigue thermal cycling test

5.2 試驗條件

（1）環境氣壓：常壓。

（2）溫度范圍：-170～+100 ℃。

（3）變溫速率：按進出影時的變溫速率預示值設定，不應低于10 ℃/min。

（4）循環次數：2 070次。

5.3 試驗過程

試驗件進行了2 070 次高低溫交變循環試驗，由試驗溫度曲線可得知升溫和降溫的平均溫度變化率在20 ℃/min，如圖9 所示。試驗前后對試驗件的外觀、導通絕緣性能（用100V DC 兆歐表）和電性能進行檢查，電性能測試包括導通測試及I-V曲線測試，前者是通過萬用表進行測量，后者是在1 AM0 條件下，通過太陽模擬器模擬太陽光進行測試的。

圖9 三結砷化鎵太陽電池試驗件疲勞熱循環曲線示意圖Fig.9 The fatigue thermal-cycle curve of the solar cell panel based on three-junction GaAs solar cell

5.4 試驗結果

完成試驗后對試驗件電池片及表面狀態進行檢查，且試驗前后分別進行了光照測試（表1 及圖10），結論如下：

圖10 疲勞熱循環試驗用試驗件試驗前后I-V曲線Fig.10 I-V curve of the solar cell panel for fatigue thermalcycle test before and after the test

表1 疲勞熱循環試驗前后電性能測試結果Tab.1 Test results of electrical performance for solar cell panel before and after fatigue thermal-cycle test

（1）試驗前、后，太陽電池、二極管、互連片、匯流條、導線、焊點、電流分配模塊和電纜固定樁的外觀均完好無損，未出現脫粘現象；

（2）試驗前、后，太陽電池片和玻璃蓋片外觀完好無損，太陽電池電路與基板絕緣電阻值均為100 MΩ；

（3）試驗前、后開路電壓Voc和短路電流Isc分別為0.55%和0.24%，變化非常小；

（4）試驗前后對碳纖維表面進行了檢查，試驗件背面面板網格十字節點及基板正面（貼聚酰亞胺膜面）均未發現有脫粘現象；

（5）國產碳纖維/環氧復合材料電池板順利通過疲勞熱循環試驗的考核，說明具有承受在軌壽命內高低溫環境能力，且與電池片匹配性良好。

6 結論

（1）通過兩種碳纖維基板試驗件的熱循環試驗，說明國產碳纖維CCM40J-6K 綜合性能與進口M40JB-6K相當，完全滿足航天器在軌使用要求。

（2）通過國產碳纖維CCM40J-6K 電池板試驗件的熱真空及疲勞熱循環試驗，說明國產碳纖維CCM40J-6K電池板具有承受高軌衛星在軌壽命內溫度沖擊的能力。

（3）國產碳纖維CCM40J-6K 基板與三結砷化鎵電池片匹配性良好，三結砷化鎵太陽電池經2 070 次溫度沖擊后的開路電壓和短路電流的變化率分別為0.55%和0.24%；試驗前后，太陽電池片和玻璃蓋片外觀完好無損，太陽電池電路與基板聚酰亞胺面保持絕緣。