CN114536911B - 一种柔性层合材料 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开一种柔性层合材料，包括：外表面层，所述外表面层材料的选择使得保证柔性层合材料的可见光反射性能、耐候性能和可观测性能；内表面层，所述内表面层材料的选择使得保证所述柔性层合材料的抗空间碎片碰撞性能；雷达波反射层，位于所述外表面层和内表面层之间，所述雷达波反射层材料的选择使得保证所述柔性层合材料的防真空冷焊。该柔性层合材料具备高反射率、低镜面反射性能，满足大气力矩标定气球卫星等科学研究用途对观测成像性能需求；具备空间碎片安全性，可有效抵抗空间碎片碰撞，材料无撕裂；具备防真空冷焊性能，满足柔性材料飞行器在轨折叠存储需要；具备空间高可靠性，长期在轨飞行性能不明显退化。
Description
技术领域
本申请涉及复合材料研制领域。更具体地，涉及一种柔性层合材料。
背景技术
柔性材料及其展开结构在空间中应用广泛，通信卫星的鼻祖——美国回声一号、回声二号卫星即为柔性薄膜气球卫星，我国发射的实践二号乙、大气一号也为科学试验用气球卫星，近年来随着航天技术的发展，柔性展开结构的应用已经延伸到包括地面雷达标校、空间返回着陆、空间太阳翼展开、空间太阳帆、空间飞行器离轨、空间碎片探测等技术层面。
在轨飞行过的气球卫星，如回声一号、回声二号、大气一号等，大部分采用表面呈银色的镀铝聚酯膜，其材料特点为：表面反射率高但镜面反射强，在观测设备上可清晰成像面积小，难以满足大气力矩标定气球卫星等对观测成像需求高的科学研究需求；材料抗高温、抗撕裂、抗烧蚀能力差，与空间碎片发生碰撞后极易产生大面积撕裂、烧蚀翻卷等现象，在轨道空间碎片碰撞风险日益严峻的形势下，无法保证无控式柔性材料飞行器的在轨安全；表面镀铝难以满足柔性结构折叠存储防真空冷焊需求。
发明内容
本申请的目的在于研制一种既满足强观测成像需求，又能一定程度上保证柔性结构空间碎片安全性的空间高可靠柔性材料。
为了达到上述目的中的至少一个，本申请采用下述技术方案：
本申请提供一种柔性层合材料，包括：
外表面层，所述外表面层材料的选择使得保证柔性层合材料的可见光反射性能、耐候性能和可观测性能；
内表面层，所述内表面层材料的选择使得保证所述柔性层合材料的抗空间碎片碰撞性能；
雷达波反射层，位于所述外表面层和内表面层之间，所述雷达波反射层的层合位置能够保证所述柔性层合材料的防真空冷焊。
在一个具体实施例中，所述内表面层，还用于与所述外表面层配合兼顾所述柔性层合材料的耐候性能。
在一个具体实施例中，所述雷达波反射层，还用于抗辐射和反射雷达波。
在一个具体实施例中，
所述外表面层为可见光反射层与耐候层；
所述内表面层为气密层与主承力层。
在一个具体实施例中，
所述可见光反射层与耐候层材料选用白色亚光含氟高分子材料；
所述气密层和主承力层材料选用耐高温和阻燃柔性材料。
在一个具体实施例中，所述气密层和主承力层材料选用聚酰亚胺材料。
在一个具体实施例中，所述雷达波反射层选用金属材料。
在一个具体实施例中，所述雷达波反射层为厚度不小于预设厚度阈值的金属材料。
在一个具体实施例中，所述雷达波反射层的材料为厚度不小于2μm的铝。
在一个具体实施例中，所述柔性层合材料用于做空间飞行器或柔性展开结构的表面涂层。
本发明的有益效果如下：
本申请实施例提供的柔性层合材料通过外表面层、内表面层和雷达波反射层的层合，实现了既具备高反射率、低镜面反射性能，满足大气力矩标定气球卫星等科学研究用途对观测成像性能需求；又实现了具备空间碎片安全性，可有效抵抗空间碎片碰撞，材料无撕裂的效果；还具备防真空冷焊性能，能够满足柔性材料飞行器在轨折叠存储需要；同时还具备空间高可靠性，长期在轨飞行性能不明显退化，提高飞行器的长期研究使用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出根据本申请一个实施例的柔性层合材料结构示意图。
图2示出根据本申请一个实施例的材料分层构成。
图3示出根据本申请一个实施例的材料可见光反射率测试结果。
图4示出根据本申请一个实施例的材料远紫外辐照前后材料太阳吸收比测试结果。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
为解决现有技术中存在的至少一个问题，本申请的一个实施例提供一种柔性层合材料，如图1所示，包括：
外表面层101，所述外表面层材料的选择使得能够保证柔性层合材料10的可见光反射性能、耐候性能和可观测性能；
内表面层103，所述内表面层材料的选择使得能够保证所述柔性层合材料10的抗空间碎片碰撞性能；
雷达波反射层102，位于所述外表面层101和内表面层103之间，所述雷达波反射层的层合位置能够保证所述柔性层合材料10的防真空冷焊。
在一个具体实施例中，所述外表面层101为可见光反射层与耐候层。
在一个具体实施例中，为了保证柔性层合材料10具有良好的可见光反射性能、耐候性能和可观测性能，所述外表面层101选用耐候性尤其是耐紫外性能良好的白色亚光含氟高分子材料，所述白色亚光含氟高分子材料，可以保证本申请提供的柔性层合材料具有良好的可见光反射性能、低镜面反射、全向散射性能良好、耐温性能良好、长期在轨可观测性能不退化的特性，能够确保柔性层合材料在较长的在轨时间内不发生变色、变暗等影响观测性能的变化。
在一个具体实施例中，所述可见光反射层与耐候层选用白色亚光聚偏氟乙烯(PVDF)；
在其他具体实施例中，所述可见光反射层与耐候层还可以选用白色亚光聚氟乙烯(PVF)或其他白色亚光含氟高分子材料。
在一个具体实施例中，所述内表面层103为气密层与主承力层。
在一个具体实施例中，所述内表面层103还用于与所述外表面层101配合兼顾所述柔性层合材料10的耐候性能。
在一个具体实施例中，为了保证柔性层合材料10的抗空间碎片碰撞性能，所述气密层与主承力层选用力学性能、耐温性能、阻燃性能、气密性能良好的材料；
在一个具体实施例中，所述气密层与主承力层选用聚酰亚胺(Kapton)，具有良好的抗空间碎片碰撞性能，碰撞后材料无撕裂、熔融、卷曲外翻等现象，可确保无控式柔性飞行器空间碎片安全性；
在其他具体实施例中，所述气密层与主承力层选用其他耐高温阻燃柔性材料。
在一个具体实施例中，所述雷达波反射层102还用于抗辐射和反射雷达波，材料为厚度不小于预设厚度阈值的金属材料，预设厚度阈值根据不同波段的反射需求确定。
在一个具体实施例中，为了充分确保P波段及更长波段雷达波的反射需求，从而支持地面测定轨、地面雷达标校等用途，并兼顾抗辐射作用，所述雷达波反射层102为厚度不小于2μm的铝。
同时，由于所述雷达波反射层102位于所述内表面层103和外表面层101两层非金属层之间，通过材料内外非金属高分子材料实现金属层的物理隔离，能够充分确保在轨长期压紧贮存状态下不发生真空冷焊。
本申请提供的一个具体实施例，如图2所示，68μm厚的柔性层合材料包括：
可见光反射层与耐候层材料为15μm厚的白色亚光聚偏氟乙烯(PVDF)1011；具有有良好的可见光反射性能、低镜面反射、全向散射性能良好、耐温性能良好、长期在轨可观测性能不退化、耐候性良好的特性。
雷达波反射层102为3μm厚的铝层1021；铝层1021居于内外非金属材料之间，既满足地面测定轨、雷达标校等用途需求，又通过物理隔离避免了真空冷焊的发生。
气密层与主承力层材料为50μm厚的聚酰亚胺(Kapton)1031，其具有抗拉强度好、气密性好、耐高低温能力强、阻燃性好、抗辐射性能强的优点，一方面保证层合材料具有良好的空间环境适应能力，另一方面也能抵抗空间碎片超高速碰撞对材料的熔融与撕裂效应，保证材料具有良好的空间碎片安全性；
需要说明的是，根据材料面密度的不同设计需求，可以在现有成熟商用材料的基础上，选择不同厚度的各层材料进行组合。
上述实施例中的68μm厚的柔性层合材料(15μm PVDF/3μm Al/50μm Kapton层合材料)的优点有：
工作温宽范围广。该层和材料长期工作温度范围不窄于-100℃～+135℃，短期工作温宽范围不窄于-196℃～+168℃。
空间高可靠性。通过选用耐空间环境良好的材料进行层合，保证该层合材料具有优异的空间高可靠性，500km及以上轨道高度可耐受不少于3个月原子氧侵蚀；抗高能粒子辐射，抗辐照总剂量可达200kGy(Si)，材料力学特性、温宽特性不发生明显退化；抗紫外辐照，对于近紫外具有超强的耐受性，室外日晒环境可工作不短于10年，对于远紫外可耐受不少于680ESH辐照剂量，可见光、热辐射、雷达反射和力学特性不发生明显退化。
空间碎片安全性。该层合材料具有优异的抗空间碎片碰撞性能，在受到空间碎片超高速碰撞后，材料表现为：材料碰撞后无撕裂；碰撞穿孔边缘表现为碳化现象，无材料熔融或者卷曲外翻现象；碰撞穿孔尺寸与碰撞物体尺寸基本一致，无放大现象。
良好的可见光反射特性。可见光波段平均反射率不低于0.7，使用该层合材料作为表面涂层的空间飞行器或柔性展开结构可以很好满足地面光测和在轨观测需求。
低镜面反射特性。全向散射性能良好，使用该层合材料作为表面涂层的空间飞行器可确保在观测设备上具有较大的清晰成像面积并避免局部过曝。
如图3和图4所示分别为对材料开展的真空紫外辐照试验材料可见光反射率测试结果和紫外辐照前后材料太阳吸收比测试结果，由图3和图4可知本申请提供的层合材料具有显而易见的抗紫外老化性能，在经过680等效太阳时真空紫外辐照后，材料表面颜色、可见光反射率和太阳吸收比均未发生明显变化。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.一种柔性层合材料，其特征在于，包括：
外表面层，所述外表面层材料的选择使得保证柔性层合材料的可见光反射性能、耐候性能和可观测性能；
内表面层，所述内表面层材料的选择使得保证所述柔性层合材料的抗空间碎片碰撞性能；
雷达波反射层，位于所述外表面层和内表面层之间，所述雷达波反射层的层合位置能够保证所述柔性层合材料的防真空冷焊；
所述雷达波反射层，还用于抗辐射和反射雷达波；
所述外表面层为可见光反射层与耐候层；
所述内表面层为气密层与主承力层；
所述可见光反射层与耐候层材料选用白色亚光含氟高分子材料；
所述气密层和主承力层材料选用耐高温和阻燃柔性材料；
所述气密层和主承力层材料选用聚酰亚胺材料。
2.根据权利要求1所述的柔性层合材料，其特征在于，
所述内表面层，还用于与所述外表面层配合兼顾所述柔性层合材料的耐候性能。
3.根据权利要求1所述的柔性层合材料，其特征在于，
所述雷达波反射层选用金属材料。
4.根据权利要求3所述的柔性层合材料，其特征在于，
所述雷达波反射层为厚度不小于预设厚度阈值的金属材料。
5.根据权利要求4所述的柔性层合材料，其特征在于，
所述雷达波反射层的材料为厚度不小于2μm的铝。
6.根据权利要求1所述的柔性层合材料，其特征在于，
所述柔性层合材料用于做空间飞行器或柔性展开结构的表面涂层。
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