空间领域用高性能聚酰亚胺薄膜现状与发展

新型材料发展是推动航天器发展的动力之一。聚酰亚胺薄膜被誉为新一代的“黄金膜”,广泛应用于航天航空、电子封装、新能源等重要领域。文章以航天器特殊环境用薄膜材料需求为背景,重点介绍几种新型聚酰亚胺薄膜特性及其在航天器中的应用,给出了高性能聚酰亚胺薄膜材料在空间领域里的应用前景。     

空间薄膜SAR天线阵面金属电路制备技术研究

薄膜天线,具有柔性、低面密度特点,能够实现地面高效率折叠、在轨超大面积展开,是未来空间天线的重要发展方向之一。针对空间薄膜SAR 天线制备需求,梳理了薄膜天线阵面金属电路阵列制备技术现状。研究了基于聚酰亚胺薄膜表面自金属化原理,通过注射涂印方式制备聚酰亚胺薄膜/ 金属银电路原理样件,测试了电路层电阻率,并开展了-196℃ / +100℃高低温循环试验考核。结果表明,聚酰亚胺薄膜表面自金属化形成的银电路电阻率达到10-5 Ω·cm 级,能够满足薄膜SAR 天线电性能需求;经过高低温循环试验后,聚酰亚胺薄膜/ 金属银电路之间结合牢固。本研究初步验证了聚酰亚胺薄膜表面自金属化制备柔性天线的技术可行性,为空间超轻型大面积薄膜SAR 天线工程化研制提供了技术基础。     

小卫星粘贴聚酰亚胺薄膜的工艺研究

介绍小卫星蜂窝结构板粘贴聚酰亚胺薄膜的研制过程、贴膜的思路、贴膜过程中遇到的问题及解决的方法。小卫星由于体积小，没有更多空间来携带太阳能帆板，所以在小卫星蜂窝结构板铝面板外表面，先粘贴一层绝缘层，即聚酰亚胺薄膜，然后在聚酰亚胺薄膜上粘贴太阳能电池组，提供充足的电能，以便保证小卫星在天空中正常工作。针对小卫星蜂窝结构板粘贴聚酰亚胺薄膜工艺方案进行详细论述，给出了粘贴聚酰亚胺薄膜工艺流程图，对胶粘剂进行选择及今后小卫星蜂窝结构板粘贴聚酰亚胺薄膜在某些方面的改进建议。小卫星在经受各种地面环模试验后，主要技术指标均达到设计使用要求。     

星用介质材料表面充放电效应试验研究

航天器表面介质材料易遭受表面充放电危害。利用30keV单能电子对几种不同的航天介质材料进行了表面充放电模拟试验,测量了不同电子通量辐照下的表面充电电位以及放电脉冲。试验结果表明,聚酰亚胺薄膜在接地处理不当时表面可充至千伏以上,易发生表面放电,且辐照强度越大,放电频率越高。表面镀铝的聚酰亚胺薄膜在不接地时,铝膜成为悬浮导体更加剧了放电的危害。而通过渗碳处理的聚酰亚胺薄膜,其良好的导电性能可有效抵御nA/cm~2量级电子的表面充电。聚四氟乙烯天线罩表面未进行防静电处理时,表面充电电位可达万伏量级,极易发生放电。     

关于薄膜反射镜成形机理的研究

聚酰亚胺薄膜反射镜是近几年发展起来的新概念.以Karman方程为基础讨论了薄膜反射镜的成型原理,分析了外载荷对薄膜反射镜面型的影响;给出了非线性耦合Karman方程的求解方法;以一种聚酰亚胺圆薄膜为例,用有限元法对Karman方程进行了数值求解,用zemike多项式拟合方法得到了圆薄膜在外载荷作用下的近似解析解,证明了把Karman方程解析解表示为多项式的合理性;用有限元法得到的不同外载荷作用下的薄膜的变形分析证明了通过控制外载荷的加载方式和载荷强度可以控制薄膜反射镜的面形,改善反射镜像差.     

聚酰亚胺介质膜高频薄膜电容制作工艺

概述了用聚酰亚胺材料做介质的高频薄膜电容及其微波混合集成电路的制作工艺的理论基础，介绍了高频薄膜的制作工艺过程及关键工艺技术和达到的技术指标。用聚酰亚胺做介质膜的高频薄膜电容能够承受弹上产品要求的各项环境试验，性能稳定、质量可靠。     

一种用于空间结构的新型聚酰亚胺薄膜的力学特性

具有优异力学性能的聚酰亚胺薄膜材料是当前空间结构领域的研究热点.采用与薄膜基体同质的PI纤维对薄膜进行增强,得到的PI复合膜具有优异的力学性能.当经向纤维为20束/cm时,与纯薄膜相比,PI复合膜的经向拉伸强度提高了203％,经向杨氏模量提高了202％,此时复合膜的纤维体积比例仅为8.689％.随着经向纤维的加入,PI...     

关于薄膜反射镜成形机理的研究

聚酰亚胺薄膜反射镜是近几年发展起来的新概念。以Karman方程为基础讨论了薄膜反射镜的成型原理，分析了外载荷对薄膜反射镜面型的影响；给出了非线性耦合Karman方程的求解方法；以一种聚酰亚胺圆薄膜为例，用有限元法对Karman方程进行了数值求解，用zemike多项式拟合方法得到了圆薄膜在外载荷作用下的近似解析解，证明了把Karman方程解析解表示为多项式的合理性；用有限元法得到的不同外载荷作用下的薄膜的变形分析证明了通过控制外载荷的加载方式和载荷强度可以控制薄膜反射镜的面形，改善反射镜像差。     

聚酰亚胺正性光刻胶材料的制备及性能研究综述

对聚酰亚胺(PI)+二叠氮萘醌(DNQ)型及聚酰亚胺前驱体(聚酰胺酸,PAA)+DNQ型正性光刻胶材料的研究成果进行了综述。讨论了这两种正性光刻胶材料中成膜剂的设计和制备方法。其中:前者在PAA主链中引入疏水基团,抑制PAA的溶解性;后者在PI主链中引入亲水基团,促进PI的溶解性,从而使其能被用于正性光敏聚酰亚胺。讨论了DNQ光敏剂的结构设计和种类、光刻胶的配比和光刻性能,以及正性光敏聚酰亚胺在航天领域中的应用现状与展望。     

均苯型聚酰亚胺薄膜在质子辐照下的力学性能退化试验研究

聚酰亚胺薄膜广泛应用于航天器热控结构和太阳帆等充气展开结构中,由于暴露在航天器表面,受到各种空间环境效应的影响,其力学性能会发生退化。文章对不同通量、注量和温度条件下质子辐照对均苯型聚酰亚胺薄膜力学性能的影响进行了模拟试验研究。研究发现,当质子通量较低时,质子通量的增加对薄膜力学性能的影响微弱;当质子通量持续增加,薄膜的抗拉强度和断裂伸长率呈近似线性下降;当质子注量增加到一定程度后,薄膜的抗拉强度和断裂伸长率下降速率变缓;薄膜在低温辐照下比在高温辐照下更容易发生脆性断裂。     

热熔型聚酰亚胺薄膜的热封性能研究

针对现有商用聚酰亚胺（PI）薄膜无法采用热熔工艺进行粘接的问题,采用异构化二酐单体、2,3,3’,4’-二苯醚四酸二酐（a-ODPA）分别与7种芳香族二胺单体通过化学亚胺化工艺制备了PI薄膜（PI-1～PI-7）,系统研究了这些PI薄膜的结构与性能的关系。结果表明:a-ODPA的不对称结构赋予了PI薄膜良好的热塑性特征,使之可以采用热熔工艺进行粘接,薄膜间的热封强度最高可达660 N/m;此外,制备的PI薄膜还具有良好的耐热性能与力学性能,5%失重的温度超过500℃,玻璃化转变温度超过230℃,薄膜拉伸强度超过89 MPa。     

含磷聚酰亚胺薄膜在原子氧环境中的降解研究

文章考察了自行合成的含磷聚酰亚胺（PI）薄膜在模拟原子氧环境中的降解行为。扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等测试结果表明:在原子氧辐照过程中,含磷PI薄膜表面的磷元素与氧元素含量增加,原子结合能也增大,意味着在PI表面形成了含磷钝化层。该钝化层进一步阻止了PI次表面层被侵蚀,使含磷PI薄膜表现出了抗原子氧侵蚀能力,其在模拟原子氧环境中的质量损失率远低于Kapton薄膜。     

三硅醇苯基POSS复合聚酰亚胺薄膜的制备与抗原子氧侵蚀性能研究

低地球轨道上运行的航天器表面材料尤其是聚合物材料极易受到原子氧侵蚀。以三硅醇苯基笼型聚倍半硅氧烷（TSP-POSS）为填料,以PMDA-ODA型聚酰亚胺（PI）为基体,通过机械共混法制备一系列复合薄膜,系统研究TSP-POSS的引入对复合薄膜耐热性能、光学性能以及抗原子氧侵蚀性能的影响。结果表明:TSP-POSS与PMDA-ODA型聚酰胺酸（PAA）具有良好的相容性,复合溶液均匀,储存稳定性优良;PAA/TSP-POSS复合溶液热酰亚胺化后形成的PI/TSP-POSS复合薄膜在TSP-POSS含量（质量分数）低于25%时可保持良好的均匀性;TSP-POSS的加入可在一定程度上提高复合薄膜的光学透明性,且对复合薄膜耐热性能的影响较小;引入TSP-POSS可以显著提高PMDA-ODA薄膜的抗原子氧性能,经受累积注量达4.02×1020 atoms/cm2的原子氧侵蚀后,TSP-POSS含量为25%的复合薄膜的原子氧剥蚀率为2.2×10-25 cm3/atom,仅为不含TSP-POSS薄膜的7.33%。     

真空紫外辐照引起的聚合物材料质量损失模型及实验验证

基于扩散理论及辐射化学反应理论,建立真空紫外(VUV)辐照引起的聚合物材料质量损失数学模型。采用分离变量法与特征函数展开法,获得材料中挥发物质量随辐照剂量变化的函数关系式。通过实验得到聚酰亚胺(PI)薄膜和聚酯(PET)薄膜的质量损失数据,拟合求解模型中的参数,验证模型的适用性。实验结果表明,该质量损失模型适用于PI薄膜及PET薄膜,借助该模型可预估VUV辐照引起的材料的质量损失。     

聚酰亚胺薄膜在γ射线辐照下的力学性能退化研究

聚酰亚胺(PI)薄膜在空间高能粒子辐射环境下会发生力学性能退化。文章利用钴源辐照试验装置和热重分析、XPS分析等对均苯型PI薄膜在γ射线辐照下的力学性能退化及其规律进行研究,发现在γ射线辐照下,PI薄膜有明显的总剂量效应和剂量率效应。     

Diamond film deposition by chemical vapor transport

Chemical vapor deposition techniques for depositing diamond films at low pressure are reviewed, along with current and potential applications for these films. A new chemical vapor transport technique is described that is simpler and suitable for microgravity and centrifuge experiments. It was used to deposit diamond on silicon, molybdenum, graphite, glass, and carbon felt. Selective patterned deposition was achieved on a copper pattern on oxidized silicon. Centrifugation at only ∼2g greatly increased the nucleation density, area of deposition, and growth rate. The self-regulating behavior of this new technique is explained in terms of chemical and transport mechanisms.     

原子氧辐照下GF/PI和nano-TiO2/GF/PI复合 材料的摩擦学性能研究

文章研究了原子氧辐照下GF/PI和nano-TiO₂/GF/PI复合材料的摩擦学性能,结合结构分析探讨了原子氧辐照对其摩擦学性能的影响机理。研究发现原子氧辐照能够破坏复合材料表面的树脂基体分子链,引起复合材料表面结构发生变化。原子氧辐照对PI复合材料的摩擦系数影响不大,但有使其磨损率降低的趋势,这可以归因于复合材料表面化学结构和组成的变化对对偶钢环上的转移膜所产生的影响。     

远紫外辐射下Kapton/Al薄膜材料的力学性能研究

薄膜材料在探测器中有着重要的应用,在深空辐照环境下,其力学性能将发生较大的变化。文章首先介绍了薄膜材料在航天器中的应用,接着对Kapton/Al薄膜材料空间远紫外辐照下的力学性能进行了研究。研究发现:随着拉伸速度增加,薄膜的抗拉强度和断裂伸长率随着拉伸速度的增加而降低;随着远紫外曝辐量的增加而呈线性减小;远紫外辐照下薄膜材料分子键出现断裂和交联,C―CO和C―N键断裂并发生脱氧和脱氮,C-H基团相对含量增大的主要原因是薄膜力学性能降低。     

液氧/煤油发动机用步进电机力矩加载系统设计

介绍了液氧/煤油发动机用步进电机力矩加载系统的设计,描述了以磁粉制动器为加载核心的电机力矩加载系统的结构和硬件、软件设计方案,重点描述了力矩加载系统的模糊PI控制算法,将PI控制参数进行了模糊化和解模糊处理,制定了模糊推理规则,实现了力矩加载系统PI控制参数的动态调整,提高了步进电机力矩加载系统的加载精度。实际应用证明:研发的电机力矩加载系统实现了对液氧/煤油发动机用电机的模拟加载和电机参数的测量,满足了电机的测试要求。