溶胶-凝胶法提高树脂抗原子氧性能的试验

为提高航天器用树脂基材料的抗原子氧剥蚀性能,将正硅酸乙酯(TEOS,Tetraethyl Orthosilicate)加入环氧树脂溶液中,采用溶胶-凝胶法,制备出SiO₂／环氧杂化材料.在空间环境原子氧效应地面模拟设备中,对材料试样开展了抗原子氧剥蚀性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了溶胶-凝胶所得杂化材料抗剥蚀性能提高的机理.分析认为:溶胶-凝胶反应过程中在树脂基体内生成的聚硅氧烷和SiO₂,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO₂保护层,是杂化材料抗剥蚀性能得以提高的主要原因.     

杂化聚酰亚胺的制备及其耐原子氧剥蚀性能

低地球轨道环境中的原子氧会剥蚀航天器表面材料,影响其性能和寿命,因此在使用时需要选用合适的手段来进行原子氧防护。采用溶胶-凝胶法,利用正硅酸乙酯在树脂体系中的水解-缩合反应,在基体中原位生成无机相而获得杂化聚酰亚胺。在原子氧效应地面模拟设备中,对杂化聚酰亚胺试样开展了性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了材料耐剥蚀性能与正硅酸乙酯添加量的关系、杂化材料的耐剥蚀机理。结果表明,杂化聚酰亚胺的耐原子氧性能优于原树脂,其原子氧试验质量损失仅为原树脂的31。6% ~14。8%。分析认为,溶胶-凝胶过程中在树脂基体中生成的有机含硅结构和无机SiO₂,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO₂保护层,是杂化材料耐原子氧剥蚀性能提高的原因。     

空心微珠用于环氧树脂抗原子氧剥蚀试验研究

提出一种新的航天器用树脂基材料抗原子氧剥蚀的方法,即在航天器用树脂基材料中添加与原子氧不反应的超细颗粒材料,用于提高其抗原子氧剥蚀的性能.在制备出超细空心微珠颗粒增强的环氧树脂复合材料的基础上通过原子氧暴露实验,发现空心微珠的加入可以有效地提高环氧树脂抗原子氧剥蚀的性能.同时,空心微珠的表面性态对制备的复合材料抗原子氧剥蚀性能具有重要的影响,经过表面改性处理可以进一步提高复合材料抗原子氧剥蚀的性能.      

石墨烯用于提高材料抗原子氧剥蚀性能

提出新型二维纳米材料石墨烯在航天器上的应用.首先采用超声空化法制备得到石墨烯,然后将其添加到环氧树脂中,采用共混法制成纳米复合材料.热失重分析显示材料的热稳定性能有所提高.在地面模拟设备中对环氧树脂和纳米复合材料进行了原子氧效应试验,并对试验前后材料的质量损失、表面形貌和表面成分等进行了分析,结果表明纳米复合材料相对于纯环氧树脂,其抗原子氧剥蚀性能有明显提高.      

微珠提高玻纤/环氧树脂抗原子氧剥蚀的研究

采用一种新的抗原子氧剥蚀技术来提高航天器用玻璃纤维/环氧树脂复合材料抗原子氧剥蚀的性能,即在玻璃纤维/环氧树脂中加入不与原子氧反应的超细空心微珠颗粒制备出能抗原子氧剥蚀的复合材料.通过对空心微珠/玻璃纤维/环氧树脂复合材料的制备和原子氧剥蚀效应地面模拟试验,发现空心微珠的加入可以有效提高玻璃纤维/环氧树脂抗原子氧剥蚀的性能,在60 h的原子氧试验中,加有空心微珠的复合材料的原子氧剥蚀率可以减小到未添加空心微珠材料时的11％.      

空间材料Kapton的真空紫外与 原子氧复合效应研究

对空间常用聚合物材料Kapton开展了真空紫外辐射及其与原子氧复合效应的地面模拟试验研究,总结了试验前后试样外观、质量、表面形貌、光学参数和表面成分的变化规律,并对反应机理作了初步的分析.结果表明:在原子氧的作用下,Kapton的剥蚀主要是碳氮等元素的氧化所致.而在真空紫外辐射的作用下,Kapton表面会交联形成大分子,从而提高了试样的抗原子氧剥蚀性能.但是,随着原子氧累积通量的增大,这层大分子会逐渐被剥蚀掉,而真空紫外辐射,对Kapton的原子氧效应试验结果没有影响.      

碳纤维/环氧复合材料的原子氧剥蚀效应试验研究

碳纤维/环氧树脂用在空间飞行器上时,面临着空间环境中各种因素特别是原子氧效应的影响,因而在地面模拟设备中对这种材料进行了原子氧剥蚀效应试验研究,并且考察了温度变化的影响.通过比较试验前后试样的质量及表面形貌,得出了材料在设备中的反应特点以及温度变化对材料原子氧效应的影响规律.同时,还对设备中存在的离子氧在材料的质量损失中所起到的作用进行了定性的研究.     

纳米ZnO-有机硅复合涂层的抗原子氧剥蚀性能

为了进一步提高有机硅涂层的抗原子氧剥蚀能力,采用经硅烷偶联剂处理的纳米ZnO微粒,在聚酰亚胺薄膜基材表面制备出纳米ZnO-有机硅复合涂层.通过原子氧地面模拟试验,研究了纳米ZnO-有机硅复合涂层的质量损失、表面形貌及化学成分的变化规律.结果表明:经表面处理的纳米ZnO微粒可以均匀分布在有机硅涂层中,有效消除有机硅树脂成膜过程中产生的微裂纹.经过原子氧辐照试验,没有保护涂层的聚酰亚胺基材的质量损失较大,而涂覆纳米ZnO-有机硅复合涂层具有良好的抗原子氧剥蚀性能,其质量损失和微观表面形貌变化很小,并且随着涂层中纳米ZnO含量的增加,其抗原子氧剥蚀的能力进一步增强.     

空间Kapton材料的原子氧、温度、紫外效应试验研究

主要通过灯丝放电磁场约束型原子氧剥蚀效应地面模拟设备模拟空间环境,对空间常用材料Kapton进行了原子氧剥蚀效应、温度升高对材料原子氧效应的影响试验以及原子氧与紫外辐射复合效应试验,对试验前后试样的外观、质量及表面形貌进行了比较,得出了材料在设备中的反应特点以及温度变化、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律.同时测量了原子氧暴露试验前后、原子氧与紫外辐射复合作用前后试样的反射率和透射率,并进行了比较.      

含磷聚酰亚胺的合成与抗原子氧性能

利用自行合成的含磷芳香族二胺单体--二(3-氨基苯基)苯基氧化磷(DAPPO),制备了一系列含磷聚酰亚胺薄膜.在原子氧地面模拟设备中对该薄膜进行了原子氧暴露实验,并采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对原子氧暴露前后薄膜表面的聚集态结构和化学结构演化进行了分析.结果表明,原子氧暴露后,引入含磷二胺单体的聚酰亚胺薄膜表面形成了富磷保护层,剥蚀率减小,抗原子氧性能明显提高, 磷质量分数为5.47%的聚酰亚胺薄膜在原子氧作用20h的总剥蚀率分别降低为Kapton^和Upliex-R型聚酰亚胺的13%和20%.     

Kapton表面复合氧化硅涂层抗原子氧性能研究

通过溶胶-凝胶工艺以正硅酸乙酯(TEOS)和γ-(甲基丙稀酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MEMO)为前躯体在聚酰亚胺薄膜(Kapton)基体上制备了有机/无机复合氧化硅涂层,地面模拟原子氧暴露试验表明涂层防护使基体的原子氧侵蚀速率下降了一个数量级,暴露前后基体的光学性能基本没有改变,加入MEMO相对量为0.2时涂层抗原子氧性能较好。扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外衰减全反射光谱(FTIR-ATR)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明原子氧暴露后Si-O-Si基团特征峰均向纯氧化硅的硅氧键吸收峰处偏移,而由MEMO产生的Si 2p价态峰减弱,因此涂层趋向于转化为稳定的纯氧化硅结构。     

Viscoelastic characterization of polymers for deployable composite booms

Deployable space structures are being built from thin-walled fiber-reinforced polymer composite materials due to their high specific strength, high specific stiffness, and designed bistability. However, the inherent viscoelastic behavior of the resin matrix can cause dimensional instability when the composite is stored under strain. The extended time of stowage between assembly and deployment in space can result in performance degradation and in the worst case, mission failure. In this study, the viscoelastic properties of candidate commercial polymers consisting of difunctional and tetrafunctional epoxies and thermoplastic and thermosetting polyimides were evaluated for deployable boom structures of solar sails. Stress relaxation master curves of the candidate polymers were used to predict the relaxation that would occur in 1 year at room temperature under relatively low strains of about 0.1%. A bismaleimide (BMI) showed less stress relaxation (about 20%) than the baseline novolac epoxy (about 50%). Carbon fiber composites fabricated with the BMI resin showed a 44% improvement in resistance to relaxation compared to the baseline epoxy composite.     

环氧树脂电子束固化微观结构及其影响因素

采用扫描电镜对不同固化时间下电子束固化环氧树脂的微观结构进行观察和分析,探讨其形成过程,并研究了树脂分子结构、相对分子质量、树脂体系组分及辐射条件对微观结构的影响. 实验结果表明,环氧树脂经电子束固化后形成片层结构,树脂分子结构和分子量对其固化微结构的影响不大;不同结构、分子量的环氧树脂电子束固化过程中均会经历预聚体结构—圆片网络—圆片形成—圆片增长的生长过程,故其微观结构都呈现圆片状形貌;随着辐射剂量的增加,圆片逐渐增大;存在最佳引发剂用量,使圆片尺寸达到最小.      

环氧树脂辐射固化反应速率及速率常数的研究

研究了环氧树脂溶液的电子束辐射固化反应速率常数以及树脂特性对反应速率的影响.研究结果显示,辐射反应增长速率常数k_p和终止速率常数k_t在反应进行的不同阶段表现出不同的控制机制.环氧树脂的分子量及其分布,分子化学结构对辐射反应速率都有很大影响,反应速率大的树脂体系最终达到的反应程度也高.