柔性和剛性材料自修復技術在軌試驗設計

徐嘉慶，馮昱龍，董泰郎，劉宇明，王志浩，崔玉紅*

（1.天津大學 機械工程學院，天津 300350；2.北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

空間環境存在微流星體和空間碎片等潛在撞擊危險，可導致航天器或裝備被沖擊而發生破壞、光敏材料結構和功能發生變化以及航天服織物纖維產生微裂紋乃至穿孔等[1-3]。針對上述危險，在航天器或航天服結構的設計中集成可在軌自修復的材料將增強設備的可靠性和安全性，延長在軌使用壽命。因此開展空間環境下的柔性和剛性材料自修復技術的研究有著重要意義。

目前，材料自修復機制主要采用液態向固態轉變的方式，即通過聚合反應實現修復。反應性液體儲存于聚合物連續相中的儲液器（如微膠囊或毛細管）中，以避免與其他反應物接觸。當施加足夠大的外力時儲液器壁破裂，液體流入損傷區域并與其他反應物反應，轉化為固體聚合物，從而修復受損區域并恢復其機械性能[4-6]。有的研究致力于尋找自愈合功能材料，Gordon 等[7-8]通過地面子彈貫穿試驗，驗證了沙林樹脂Surlyn 8940 等共聚物材料的自愈合功能，并對自愈合后的材料傷口進行了密封性測試。其研究表明，沙林樹脂在中低溫環境下有良好的自愈合功能，材料被子彈貫穿后，附近材料溫度升高變為熔融態并具有彈性，內部液態材料流出后受紫外輻射固化實現修復功能，繼而修復貫穿口。Zavada 等[9]設計了硫醇-烯-三烷基硼烷樹脂，通過液態樹脂聚合反應來實現自愈合，并且完成了子彈貫穿試驗，室溫下試驗效果良好，穩定愈合時間為24 s 左右。Laptev 等[10]研發了一種能夠自修復的可用于輻射防護的鋯/鈮納米涂層，有助于保護電子產品，提高核工業和航天工業中各種材料的抗輻射能力。

國內也開展了一些自修復技術的研究，一種自修復策略是設計夾層結構，將修復功能液態材料密封入夾層之間，如剛性或柔性自修復結構試件[11-13]；另一種策略是將修復功能液態材料密封為微膠囊，并將微膠囊嵌入材料內部[14-15]，但未見相關的在軌試驗報道。本文開展柔性和剛性材料自修復技術在軌試驗設計，以推動柔性和剛性材料自修復技術的發展與應用。

1 試驗系統設計

為了順利開展柔性和剛性材料自修復的空間適用性研究，針對空間站在軌試驗要求設計一套在軌試驗模塊，并滿足在空間極端環境下實施柔性和剛性材料自修復的條件，作為未來在軌驗證柔性和剛性自修復材料對高輻射、溫度交替和高真空等惡劣環境的適應性的基礎。

1.1 自修復試驗模塊

本文設計的自修復試驗模塊如圖1 所示，包括面板上固定的4 個柔性和剛性自修復材料試件，以及針刺設備、導線模塊和數據傳輸模塊。其中，針刺設備用來刺破試件（模擬試件被擊穿），導線模塊提供電路連接，數據傳輸模塊傳輸試驗圖像數據。柔性和剛性自修復材料試件均為采用多層材料組成的50 mm×50 mm 方形試件。液態修復材料（共聚單體丙烯酸）被柔性或剛性材料密封在內部，其中柔性材料為聚氯乙烯，剛性材料為沙林樹脂。為進行對比研究，將試件分為實驗組（A1 和B1）和對照組（A2 和B2）。

圖1 柔性和剛性材料自修復試驗模塊Fig.1 Self-healing test module for flexible and rigid material

柔性和剛性材料的選取需要滿足一定要求，包括：化學性能穩定不易被氧化；物理性能穩定，在高溫下力學性能保持良好。自修復液體材料須固化后性質穩定，能用于多種樹脂類材料的修復。本研究中選用的柔性材料聚氯乙烯是一種高分子聚合物，具有較小的彈性模量（約35 MPa），且斷裂伸長率大于200%，具有良好的柔韌性和絕緣性。選用的剛性材料沙林樹脂是一種熱固性高分子材料，即使在100 ℃下仍保持原有力學性能，楊氏模量約300 MPa，抗拉強度約30 MPa，具有強度高、耐熱和阻燃性能優異等特點[8]

在試驗模塊下部設計了隱蔽式針刺設備（圖1中未標示），可通過螺紋旋轉實現拉伸和收縮。該設備的主要功能是驅動針頭進行針刺操作，模擬材料被擊穿。當自修復材料試件被刺穿時，內部自修復液體材料丙烯酸暴露于紫外環境下會發生聚合反應固化形成聚丙烯酸樹脂，從而修復傷口來恢復材料的整體結構。試件外層設置有紫外防護膜，可以防止試件破裂前內部修復材料發生固化。

試驗模塊機械外包絡的主體材料采用5A06 鋁合金，其具有強度高和穩定性強的特點，比較適合作為總體裝置的材料，能夠適應自修復試驗模塊在發射時復雜的力學環境和在軌試驗時極端的空間軌道環境[16]。5A06 鋁合金的主要物性參數為：密度2.63 g·cm-3；彈性模量72 GPa；泊松比0.33；0.2%屈服強度160 MPa。

1.2 柔性自修復試件

柔性材料是指具有柔軟、可彎曲或可扭曲的幾何形狀和尺寸的材料，通常用于包裝以及服裝密封層等。本文試驗用柔性自修復試件采用分層結構（見圖2），由上至下依次為柔性第一層、液體修復材料層、條形柔性密封材料和柔性第二層。柔性第一層和柔性第二層為正方形或圓形的聚氯乙烯片狀結構，厚度為0.8～1.0 mm。液體修復材料層的厚度也為0.8～1.0 mm，成分為丙烯酸液體，具有高度安全性，即使發生泄漏，也不存在因溫度突然升高而引起自燃的風險。使用環氧樹脂膠黏劑配合柔性密封材料將柔性第一層和柔性第二層黏合在一起實現封閉，這種膠黏劑的黏結抗剪強度在20～60 MPa 之間。

圖2 柔性自修復試件結構[11,13]Fig.2 Schematic diagram of flexible self-healing specimen[11,13]

相關試驗表明，該柔性自修復材料試件可以在自愈合結構被破壞后，對破損處進行修補；修復后形成的高分子固體聚合物為聚丙烯酸樹脂，抗拉強度和抗剪強度可達20 MPa，表現出優異的機械強度和韌性。此外，該試件結構具備一定的柔韌性，可以承受較大的變形。該結構通過排列多個相互嵌套的樹脂條帶，不僅可節約液體修復材料的用量，還能實現柔性自修復結構試件的重復利用[11-12]。

1.3 剛性自修復試件

剛性材料是指具有固定的幾何形狀和尺寸的材料，通常用于支撐結構或固定其他物體。本文試驗用剛性自修復試件采用層狀結構（見圖3），由上至下依次為剛性第一層、液體修復材料層、條形剛性密封材料和剛性第二層。其中，剛性第一層和第二層均為類似薄片狀的沙林樹脂制成的正方形或圓形板狀結構，厚度為0.8～1.0 mm。液體修復材料層的厚度和成分與柔性自修復試件相同。由沙林樹脂制成的環形密封條通過雙組分環氧樹脂與剛性第一層和第二層之間聯結黏合，提高了結構的密封強度，具有較高的結構強度和穩定性，能夠承受來自自修復試驗中高強度夾具的壓力。同時，液體修復材料可以通過少量的兩組分環氧樹脂膠水進行密封，減少了粘接材料的間距，提高了結構的密封強度。

圖3 剛性自修復試件結構[11,13]Fig.3 Schematic diagram of rigid self-healing specimen[11,13]

相關試驗表明，當整個自修復結構試件被損壞時，內部液體修復材料暴露在紫外線環境中而發生固化，生成聚丙烯酸樹脂，通過固體樹脂修補傷口從而修復整個結構[14-15]。

2 在軌試驗方法設計

2.1 在軌試驗流程

本文設計的柔性和剛性材料自修復在軌試驗需要航天員協助完成。首先，由航天員操縱機械臂將上述試驗模塊掛載在空間站艙外暴露平臺載荷適配器上；然后，由事先設定好的程序控制試驗模塊自動完成在軌試驗。在軌試驗流程盡量考慮試驗過程中可能存在的風險，從地面啟動到確認開始試驗，設置了電氣、光學和數據記錄等3 層檢測，在確認無誤后，開始收集數據，以確保試驗數據收集和數據傳回的有效性。具體試驗流程如圖4 所示。

圖4 在軌試驗流程Fig.4 Flow chart of on-orbit test program

2.2 試驗數據獲取

在軌試驗使用航天相機拍攝試驗圖像，根據圖像觀測記錄材料的自修復過程以及完成自修復所需時間；其后，每隔1 周時間記錄在軌試件的圖像數據，包括變形、光澤度和顏色等。上述數據通過內部以太網傳輸給數據采集器，再由數據采集器通過外部以太網傳輸給飛船，由飛船進行天地信息傳輸。飛船與試驗模塊之間通過1553B 接口進行指令控制和網絡配置。最后，通過在軌數據和實驗室模擬試驗的對比分析獲得完成自修復以后材料的透氣率和強度等指標參數。

綜合未來擬開展的在軌試驗與實驗室模擬試驗所獲得的數據，制定試件在空間環境中須達到的技術指標為：自修復時間≤30.0 s；試件自修復后氣密性良好，透氣率為0；試件自修復后的創傷口處材料抗拉強度≥0.1 MPa。

3 初步試驗

試驗材料和儀器：5 mL 注射器，直接使用；Surlyn 8940 沙林樹脂顆粒，美國杜邦公司生產，實驗室壓片后使用；柔性聚氯乙烯，廣州市賽賽格材料公司生產，直接使用；3M DP125 環氧樹脂膠，直接使用；VP-4 單級真空泵；300 mm×300 mm×300 mm真空箱；LDS-50 電子拉力試驗機；60 W-365 nm 紫外燈。

在實驗室完成了自修復功能材料的初步模擬試驗。首先按照1.2 節和1.3 節的要求制作自修復試件，制作過程中操作人員須佩戴丁腈手套、臺面上須放置透明墊片以防止污染試驗臺，用注射器提取儲存在玻璃試管中的液態修復功能材料，制作完成的柔性和剛性材料自修復試件見圖5 中的A1、B1。

圖5 柔性和剛性材料自修復試件Fig.5 Self-healing specimen for flexible and rigid materials

試驗開始后，試驗人員手持鋼針將試件劃破使得其內部液態修復材料流出；使用60 W 紫外燈照射液態修復材料，模擬空間環境下的紫外輻照；同時使用相機持續記錄試件圖像及自修復時間。圖5 中的試件A2、B2 為修復試驗完成后的試件形貌，可以看到裂口處已被修復。對修復后的試件進行氣密性和拉伸試驗，獲得其透氣率和抗拉強度。其中：氣密性試驗采用真空泵中間連接真空箱對試件執行抽吸，至真空箱氣壓為100 Pa，關閉真空泵后真空箱氣壓無增加即表明試件氣密性良好，若真空箱氣壓增加則說明試件透氣；然后將修復后的材料制成20 mm 寬拉伸試驗件進行拉伸試驗測得其抗拉強度。

當液態修復材料暴露于紫外輻照環境時，能在10～15 s 內迅速固化，證明了液態修復材料具有較快速的修復功能。修復后創傷口是高分子聚合物聚丙烯酸樹脂，高分子聚合物鏈之間能形成多種氫鍵，具有優異的柔韌性和高斷裂伸長率，修復后材料抗拉強度在20 MPa 左右。

4 結束語

本文開展了柔性和剛性材料自修復技術在軌試驗設計，制作自修復材料試件，模擬試件被刺破后自修復液體流出受紫外光輻照迅速固化以修復損傷的過程，同時觀測記錄材料自愈合過程，測試自修復后的材料性能。在充分考慮試驗過程中可能存在的風險的基礎上，描述了開展在軌試驗的流程，闡述了獲取在軌試驗數據的方法以及數據傳輸方式，提出了自修復技術指標。