CN106442295A - 一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，涉及空间环境效应领域。本发明是为了解决现有缺少采用地面模拟方式对单因素和多因素影响空间航天器的聚合物及其复合材料进行全面研究的问题。本发明通过选择控制真空度、控制热循环温度，并且将电子能量及通量、质子能量及通量、重离子能量及通量同时加入密封腔体内或者按照顺序依次加入电子能量及通量、质子能量及通量、重离子能量及通量，来达到聚合物及其复合材料空间综合环境效应地面模拟的目的。它用于地面模拟聚合物材料受空间综合环境的损伤程度。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物材料空间综合环境效应的地面模拟试验，特别涉及可以在聚合物材料中产生空间综合环境效应的试验方法，属于空间环境效应领域。
背景技术
自1957年人类利用航天器进行空间探测和研究活动以来，在空间科学、航天技术及空间资源利用等领域取得了举世瞩目的成就。半个多世纪以来，人类进行了大量空间探索、开发与资源利用，已先后发射5000余颗各种应用卫星，建造了“和平号”和α-空间站及航天飞机，向月球发射了130余颗卫星与探测器，向火星发射了几十颗卫星和探测器，进行了大量的航天活动，为拓展人类生存和发展空间做出了巨大贡献。人类的航天活动，有成功的经验，也有失败的教训。据统计，空间环境导致航天器出现故障的概率占50％以上。
航天器是由大量材料和器件组成的多功能复杂系统。当航天器在空间轨道环境下服役时，不同材料和器件会产生环境效应，对航天器系统的功能和服役状态产生影响。在轨服役数据分析表明，航天器用聚合物及其复合材料可能由于空间环境的作用发生故障甚至失效。空间环境因素涉及：真空、太阳电磁辐射、太阳宇宙线、银河宇宙线、地球辐射带、地球磁场、温度热交变、空间原子氧、微流星体及空间碎片等多种因素。其中，聚合物及其复合材料最为敏感的空间环境因素为真空、热循环及带电粒子辐射。空间环境与航天器相互作用发生在太空，直接实验研究难度大，所需成本费用高。解决问题的最基本途径是在地面模拟空间环境与效应。通过地面模拟试验的研究，揭示空间环境与材料和器件相互作用的基本规律，阐明空间环境效应的基本特征与机理，并将所获得的研究成果用于指导空间应用。因此，为了有效地展开空间材料科学技术研究，十分需要建立聚合物材料空间综合环境效应地面模拟试验方法。
目前，人类积累了许多空间单因素环境下聚合物及其复合材料地面模拟试验方法，成为人类探索认识空间材料科学问题的重要依据，也为各国航天事业的发展作出了不可替代的贡献。但是，这些研究均未能全面实现聚合物及其复合材料空间综合环境效应研究。为此，需要在科学上实现空间综合环境与聚合物材料作用基本理论和方法研究，揭示空间综合环境下聚合物材料结构演化的基本规律与各种空间环境综合效应的物理本质，建立空间综合环境下聚合物及其复合材料地面模拟试验的方法。该方法可为我国开展空间材料科学技术基础性、前瞻性研究发挥重大作用。
发明内容
本发明是为了解决现有缺少采用地面模拟方式对单因素和多因素影响空间航天器的聚合物及其复合材料进行全面研究的问题。现提供一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法。
一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，所述方法，包括：
步骤一、将温度控制装置和温控试样台放置在密封腔体内，温度控制装置用于对温控试样台进行温度控制，温度控制装置引线利用密封腔体内的真空插头进行连接；
步骤二、准备一个厚度为t的待测聚合材料试验样品，测试该样品的初始性能参数，然后将该样品放置在温控试样台上；
步骤三、对步骤二中的试验样品，选择入射电子、入射质子及入射重离子的能量，其中，对试验样品入射电子、入射质子及入射重离子能量的入射深度为大于2t，质子及重离子对试验样品的入射方向应垂直于试验样品上表面，电子的入射方向与试验样品法向的夹角应在45°角以内，并且，质子、重离子及电子的辐照不均匀度应小于10％，质子、重离子及电子对试验样品的辐照面积应当完全覆盖住整个试验样品，然后采用软件进行计算仿真；
步骤四、将密封腔体抽真空；
步骤五、通过温度控制装置对温控试样台上的试验样品进行多次热循环试验后，再对试验样品进行入射电子、入射质子及入射重离子的辐照试验或者对试验样品同时进行热循环试验和入射电子、入射质子及入射重离子的辐照试验，其中，对试验样品进行入射电子、入射质子及入射重离子的辐照试验分为同时对试验样品入射电子、入射质子及入射重离子的能量和通过入射顺序依次对试验样品入射电子、入射质子及入射重离子；
步骤六、根据步骤一至步骤五，模拟出空间辐照对航天器外表面的聚合材料的损伤程度，作为实际空间综合环境对聚合材料的作用效应。
本发明的有益效果为：
航天器外表面用的聚合物及其复合材料主要受到真空、热循环及带电粒子辐照等空间环境因素的影响。本发明通过选择控制真空度、控制热循环温度，并且将电子能量及通量、质子能量及通量、重离子能量及通量同时加入密封腔体内或者按照顺序依次加入电子能量及通量、质子能量及通量、重离子能量及通量，来达到聚合物及其复合材料空间综合环境效应地面模拟的目的。
本发明的应用不同类型地面单因素及多因素环境，步骤简单，易于操作。本发明所提出的技术途径能够大幅度降低试验的费用，对聚合物及其复合材料空间环境效应地面模拟试验和研究具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。
附图说明
图1为电子、质子及α离子在特氟龙材料中的射程图，附图标记1表示电子，附图标记2表示质子，附图标记3表示α离子；
图2为不同剂量电子辐照时，真空、热循环对特氟龙材料性能影响的曲线对比图；
图3为相同剂量电子辐照时，不同热循环次数对特氟龙材料性能影响的曲线对比图；
图4为5MeV质子、1MeV电子及热循环共同作用特氟龙材料的试验曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，所述方法，包括：
步骤一、将温度控制装置和温控试样台放置在密封腔体内，温度控制装置用于对温控试样台进行温度控制，温度控制装置引线利用密封腔体内的真空插头进行连接；
步骤二、准备一个厚度为t的待测聚合材料试验样品，测试该样品的初始性能参数，然后将该样品放置在温控试样台上；
步骤三、对步骤二中的试验样品，选择入射电子、入射质子及入射重离子的能量，其中，对试验样品入射电子、入射质子及入射重离子能量的入射深度为大于2t，质子及重离子对试验样品的入射方向应垂直于试验样品上表面，电子的入射方向与试验样品法向的夹角应在45°角以内，并且，质子、重离子及电子的辐照不均匀度应小于10％，质子、重离子及电子对试验样品的辐照面积应当完全覆盖住整个试验样品，然后采用软件进行计算仿真；
步骤四、将密封腔体抽真空；
步骤五、通过温度控制装置对温控试样台上的试验样品进行多次热循环试验后，再对试验样品进行入射电子、入射质子及入射重离子的辐照试验或者对试验样品同时进行热循环试验和入射电子、入射质子及入射重离子的辐照试验，其中，对试验样品进行入射电子、入射质子及入射重离子的辐照试验分为同时对试验样品入射电子、入射质子及入射重离子的能量和通过入射顺序依次对试验样品入射电子、入射质子及入射重离子；
步骤六、根据步骤一至步骤五，模拟出空间辐照对航天器外表面的聚合材料的损伤程度，因此，作为实际空间综合环境对聚合材料的作用效应。
本实施方式中，采用多种方式模拟空间综合环境，第一种为：在真空腔体内先进行热循环，在加入电子、入射质子或者入射重离子中的一种物质，第二种为：在真空腔体内同时进行热循环和加入电子、入射质子或者入射重离子中的一种物质，第三种为：在真空腔体内先进行热循环，然后依次加入入射电子、入射质子和入射重离子，其中，电子、质子和重离子的加入顺序可以调节，第四种为：在真空腔体内同时进行热循环和加入入射电子、入射质子或者入射重离子中的一种物质，然后在依次加入入射电子、入射质子或者入射重离子中的其他两种物质或者同时加入其他两种物质。
本实施方式中，因为要使得电子、质子及重离子能够完全穿透聚合物及其复合材料样品。并且，需要保证电子、质子及重离子辐照，在聚合物及其复合材料样品中产生均匀的损伤。为此，需要选择合适的电子、质子和重离子能量，使其射程超过聚合物及其复合材料样品厚度的2倍以上。电子、质子及α离子在特氟龙(Teflon)材料中的射程如图1所示，图中，附图标记1表示电子，附图标记2表示质子，附图标记3表示α离子。
实施例：
选择试验样品为Teflon材料，其厚度为100μm、面积为1cm×3cm。试验条件为真空条件下，真空度为10-3Pa。图2给出了不同剂量电子辐照时真空、热循环对Teflon材料性能影响的试验结果图。图中，热循环条件为：温度范围为-100℃～+50℃、循环次数为200次、升降温速率5℃/min；辐照条件为：电子能量150keV、电子辐照通量1e10e/cm2s、辐照面积4cm×4cm，辐照不均匀度小于5％，电子入射角度垂直于样品表面。由图2可以看出，真空、热循环及辐照同时存在时，聚合物材料的损伤程度更大。
图3给出了同剂量电子辐照时不同热循环次数对Teflon材料性能的影响。图3中热循环条件和辐照试验条件与图2相同。由图可以看出，热循环和辐照的综合作用会大大加剧聚合物材料的损伤程度。
图4给出了5MeV质子、1MeV电子及热循环共同作用Teflon材料的试验结果。图中，附图标记4表示先进行热循环，在加入5MeV质子，最后加入1MeV形成的曲线图，附图标记5表示同时进行热循环和加入1MeV电子，之后在加入5MeV质子形成的曲线图，附图标记6表示先进行热循环，在加入5MeV质子形成的曲线图，附图标记7表示同时进行热循环和加入5MeV质子形成的曲线图，附图标记8表示先进行热循环，在加入1MeV电子形成的曲线图，附图标记9表示同时进行热循环和加入1MeV电子形成的曲线图，图4的热循环条件与3相同，1MeV电子辐照通量1e10e/cm2s、辐照面积20cm×50cm、辐照不均匀度小于5％；5MeV质子辐照通量1e8p/cm2s、辐照面积2cm×20cm、辐照不均匀度小于5％。电子和质子采取顺序辐照方式，且与热循环采用顺序和同时作用方式。不论顺序作用还是同时作用，对聚合物材料造成的损伤程度相同。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，质子、重离子及电子对试验样品的辐照面积应当至少辐射到试验样品面积的1.5倍。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中，将密封腔体进行抽真空，真空的压强大小为10-1Pa～10-5Pa。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法作进一步说明，本实施方式中，步骤五中，热循环试验的升温和降温速率为：0.01℃/min～50℃/min；保温时间应保证试验样品表面的温度与密封腔体的内部温度相同。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，采用Geant4和SRIM软件进行计算仿真。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，样品的初始性能参数指的是力学性能、刚度性能及真空出气性能。
Claims (6)
1.一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，其特征在于，所述方法，包括：
步骤一、将温度控制装置和温控试样台放置在密封腔体内，温度控制装置用于对温控试样台进行温度控制，温度控制装置引线利用密封腔体内的真空插头进行连接；
步骤二、准备一个厚度为t的待测聚合材料试验样品，测试该样品的初始性能参数，然后将该样品放置在温控试样台上；
步骤三、对步骤二中的试验样品，选择入射电子、入射质子及入射重离子的能量，其中，对试验样品入射电子、入射质子及入射重离子能量的入射深度为大于2t，质子及重离子对试验样品的入射方向应垂直于试验样品上表面，电子的入射方向与试验样品法向的夹角应在45°角以内，并且，质子、重离子及电子的辐照不均匀度应小于10％，质子、重离子及电子对试验样品的辐照面积应当完全覆盖住整个试验样品，然后采用软件进行计算仿真；
步骤四、将密封腔体抽真空；
步骤五、通过温度控制装置对温控试样台上的试验样品进行多次热循环试验后，再对试验样品进行入射电子、入射质子及入射重离子的辐照试验或者对试验样品同时进行热循环试验和入射电子、入射质子及入射重离子的辐照试验，其中，对试验样品进行入射电子、入射质子及入射重离子的辐照试验分为同时对试验样品入射电子、入射质子及入射重离子的能量和通过入射顺序依次对试验样品入射电子、入射质子及入射重离子；
步骤六、根据步骤一至步骤五，模拟出空间辐照对航天器外表面的聚合材料的损伤程度，作为实际空间综合环境对聚合材料的作用效应。
2.根据权利要求1所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，其特征在于，步骤三中，质子、重离子及电子对试验样品的辐照面积应当至少辐射到试验样品面积的1.5倍。
3.根据权利要求1所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，其特征在于，步骤四中，将密封腔体进行抽真空，真空的压强大小为10-1Pa～10-5Pa。
4.根据权利要求1所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，其特征在于，步骤五中，热循环试验的升温和降温速率为：0.01℃/min～50℃/min；保温时间应保证试验样品表面的温度与密封腔体的内部温度相同。
5.根据权利要求1所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，其特征在于，步骤三中，采用Geant4和SRIM软件进行计算仿真。
6.根据权利要求1所述的一种用于航天器的聚合材料空间综合环境效应地面模拟试验方法，其特征在于，步骤二中，样品的初始性能参数指的是力学性能、刚度性能及真空出气性能。
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