【康沃真空網(wǎng)】通過理論分析與試驗(yàn)研究，從薄膜材料、樣品加工、拉伸試驗(yàn)及模擬試驗(yàn)四個(gè)角度，對(duì)空間環(huán)境下薄膜材料力學(xué)性能退化試驗(yàn)的誤差來源及影響進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論：通過選用邊緣光滑無毛刺的樣品、拉伸方向?yàn)榉肿又麈溠由旆较虻拇怪狈较?、采用中間斷裂樣品的拉伸數(shù)據(jù)、控制薄膜拉伸方向與長(zhǎng)度方向或薄膜平面方向的夾角小于8°以及控制試驗(yàn)參數(shù)等措施可以有效降低薄膜材料的力學(xué)性能拉伸誤差。其中，當(dāng)薄膜拉伸方向與長(zhǎng)度方向或薄膜平面方向的夾角小于8°時(shí)，抗拉強(qiáng)度的誤差小于1%，橫向剪切力/拉力的比值為薄膜拉伸方向與長(zhǎng)度方向的夾角的正切函數(shù)。
　　
　　引言
　　
　　在有限的運(yùn)載能力條件下，充分提高航天器的效能，是航天器研制工作的一個(gè)重要發(fā)展方向。輕型展開結(jié)構(gòu)具有成本低廉、存儲(chǔ)體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難達(dá)到的性能，從而成為空間研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。
　　
　　航天器展開結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在大型天線、遮光罩、大型太陽能電池帆板、太陽帆等大型航天器上，薄膜材料是該結(jié)構(gòu)的重要組成部分。同時(shí)，薄膜材料也是航天器熱控系統(tǒng)-外露熱控涂層的主要基體材料。然而，由于長(zhǎng)期直接暴露在航天器表面，薄膜材料受到空間環(huán)境綜合作用的威脅，其力學(xué)性能可能會(huì)發(fā)生退化甚至失效。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的表面熱控薄膜出現(xiàn)了破裂，并由宇航員出艙修復(fù)。因此，有必要加強(qiáng)航天器薄膜材料的力學(xué)性能評(píng)價(jià)研究。
　　
　　與國外相比，國內(nèi)的研究剛剛開展，尚缺乏對(duì)其性能退化及機(jī)理的系統(tǒng)研究。文章對(duì)目前航天器上廣泛采用的聚酰亞胺(PI)薄膜，以質(zhì)子輻照地面模擬試驗(yàn)研究為對(duì)象，從材料自身性能、樣品加工、力學(xué)性能測(cè)試，以及試驗(yàn)參數(shù)控制等角度，研究誤差可能對(duì)力學(xué)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)帶來的影響，并給出控制措施。
　　
　　1、誤差來源
　　
　　在航天器用薄膜材料空間環(huán)境力學(xué)性能退化研究過程中，由于薄膜材料自身性質(zhì)、試驗(yàn)參數(shù)等原因，可對(duì)其宏觀性能分析帶來影響。造成航天薄膜材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)的誤差來源主要有：(1)薄膜材料樣品加工質(zhì)量;(2)薄膜本身微觀結(jié)構(gòu);(3)空間環(huán)境試驗(yàn)參數(shù);(4)拉伸測(cè)試參數(shù)。
　　
　　2、誤差分析
　　
　　針對(duì)航天薄膜材料力學(xué)性能評(píng)價(jià)中可能引入誤差的來源，分析如下：
　　
　　(1)薄膜材料樣品加工質(zhì)量
　　
　　國標(biāo)GB13022-91《塑料、薄膜拉伸性能試驗(yàn)方法》對(duì)薄膜材料的力學(xué)性能拉伸樣品制備進(jìn)行了規(guī)定，但薄膜材料試驗(yàn)樣品在加工過程中，可能存在切割邊緣的毛刺、微裂口等，會(huì)引起拉伸過程中從有毛刺的地方斷裂，從而導(dǎo)致拉伸出現(xiàn)巨大的誤差。
　　
　　(2)薄膜本身微觀結(jié)構(gòu)
　　
　　在生產(chǎn)聚合物薄膜時(shí)，宏觀上由于薄膜軋制方向不同，微觀上聚合物的分子鏈排列和延伸的方向也不同。這可能會(huì)導(dǎo)致薄膜在不同方向上物理和化學(xué)性質(zhì)不同。以美國杜邦公司為代表的高端制造企業(yè)采用雙向拉伸工藝，但薄膜在經(jīng)緯向均一性仍存在一定差異，從而可對(duì)其力學(xué)性能帶來方向性影響。
　　
　　(3)空間環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)
　　
　　薄膜材料空間環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)的選取對(duì)其力學(xué)性能有著較大影響，一方面，在空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)過程中，若采用過高的加速倍率，可能會(huì)對(duì)薄膜材料的力學(xué)性能拉伸帶來較大的影響[9];另一方面，溫度的選擇可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來較大的差異，這主要是由于溫度可造成薄膜材料分子結(jié)構(gòu)或鍵能發(fā)生一些變化。
　　
　　(4)拉伸測(cè)試參數(shù)
　　
　　薄膜材料在拉伸試驗(yàn)過程中，拉伸速率可能對(duì)薄膜的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果帶來影響。同時(shí)，如果拉伸試驗(yàn)裝置上下夾具不在一個(gè)平面上，或者樣品拉伸方向有一定的傾斜角度等，也會(huì)對(duì)力學(xué)性能的拉伸帶來誤差。
　　
　　4、結(jié)論
　　
　　通過以上分析可知，航天薄膜材料樣品加工質(zhì)量、薄膜本身微觀結(jié)構(gòu)、空間環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)、拉伸測(cè)試參數(shù)等可對(duì)其力學(xué)性能評(píng)價(jià)帶來影響，為此，可采取以下措施：
　　
　　(1)采用光學(xué)照明放大鏡或其他手段，檢測(cè)并剔除邊緣有毛刺等微觀缺陷的樣品;
　　
　　(2)為了消除薄膜的各向異性對(duì)力學(xué)性能的影響，薄膜樣品沿相同的方向進(jìn)行拉伸，建議拉伸方向?yàn)榉肿又麈溠由旆较虻拇怪狈较?
　　
　　(3)應(yīng)該采用拉伸試驗(yàn)后中間斷裂的薄膜樣品的拉伸數(shù)值;
　　
　　(4)應(yīng)將薄膜拉伸方向與長(zhǎng)度方向之間的傾角控制在8°以內(nèi)，此時(shí)，力學(xué)性能誤差小于1%;
　　
　　(5)當(dāng)薄膜拉伸方向與薄膜平面方向存在夾角時(shí)，也應(yīng)將薄膜拉伸方向與長(zhǎng)度方向的夾角控制在8°以內(nèi)，此時(shí)，抗拉強(qiáng)度誤差也是小于1%。剪切力/拉力的比值隨傾角的增大而增大，當(dāng)傾角為6°時(shí)，其比值約為0.1;
　　
　　(6)根據(jù)航天器在軌環(huán)境及理論分析，選取合適的地面模擬試驗(yàn)參數(shù)如加速倍率、試驗(yàn)溫度等，并進(jìn)一步開展試驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜材料力學(xué)性能退化的影響研究。