衛(wèi)星介質(zhì)材料的真空出氣對(duì)介電性能的影響

0衛(wèi)星內(nèi)部充電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在復(fù)雜的空間環(huán)境中運(yùn)行的衛(wèi)星是導(dǎo)致故障和異常的主要環(huán)境效應(yīng)。內(nèi)部充電是指空間高能電子穿透衛(wèi)星蒙皮,在其內(nèi)部的介質(zhì)材料或懸浮導(dǎo)體上沉積并建立電場(chǎng)的過(guò)程。當(dāng)介質(zhì)材料中的電場(chǎng)超過(guò)閾值時(shí)便會(huì)發(fā)生放電,放電不僅對(duì)材料本身造成損傷,產(chǎn)生的ESD(靜電放電)脈沖還會(huì)干擾衛(wèi)星上電子儀器的正常工作。內(nèi)部充電效應(yīng)發(fā)生的程度是由衛(wèi)星所處的軌道環(huán)境、自身的屏蔽水平以及星上介質(zhì)材料的特性共同決定的,其中,介質(zhì)材料特性中最為關(guān)鍵的因素是電導(dǎo)率,它的大小直接決定了介質(zhì)內(nèi)部沉積電荷泄漏的快慢,進(jìn)而決定了充電電場(chǎng)的大小和放電的風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)壽命衛(wèi)星在長(zhǎng)時(shí)間真空、輻射、高低溫交變等空間環(huán)境的作用下,包括電導(dǎo)率在內(nèi)的材料特性都有可能發(fā)生顯著變化。因此,在評(píng)估一顆衛(wèi)星的內(nèi)部充電風(fēng)險(xiǎn)時(shí),不僅需要考慮壽命初期的情況,還需考慮壽命末期的情況。但目前相關(guān)的研究還比較少,除一些關(guān)于高能電子輻照對(duì)高聚物介電性能影響的報(bào)道之外,對(duì)衛(wèi)星內(nèi)部充電的研究或工程評(píng)估多以新材料即壽命初期材料為主?？臻g環(huán)境的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是高真空:根據(jù)軌道高度的不同,真空度約在10-6~10-10Pa。衛(wèi)星上的介質(zhì)材料長(zhǎng)期處于高真空環(huán)境下,將不可避免地產(chǎn)生出氣效應(yīng)。材料出氣除了會(huì)造成衛(wèi)星污染之外,還將導(dǎo)致材料本身的物理或化學(xué)性質(zhì)改變,這些改變有可能影響到材料的電導(dǎo)率,從而增加衛(wèi)星壽命末期的內(nèi)部充放電風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)這一問(wèn)題,以衛(wèi)星上常用的聚酰亞胺材料為例,通過(guò)試驗(yàn)初步研究材料出氣對(duì)電導(dǎo)率的影響。1方法和配置1.1長(zhǎng)期伺服的出氣情況通過(guò)地面加速試驗(yàn),模擬聚酰亞胺材料在空間長(zhǎng)期服役的出氣情況;然后利用真空條件下的電荷注入方法,測(cè)量材料樣品的電導(dǎo)率,分析不同出氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)樣品電導(dǎo)率的影響。1.1.1材料出氣時(shí)間t在空間高真空環(huán)境下,非金屬材料的出氣主要以擴(kuò)散為主?；跀U(kuò)散理論和相應(yīng)的邊界條件及初始條件,可以得到出氣量與時(shí)間和擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系為式中:Q是出氣量;D是擴(kuò)散系數(shù);d是樣品的厚度;C0是材料初始的含氣濃度;t是出氣的時(shí)間。根據(jù)式(1),假設(shè)材料出氣產(chǎn)物不發(fā)生化學(xué)變化,則材料的出氣量Q由擴(kuò)散系數(shù)D和出氣時(shí)間t決定。對(duì)于同種材料,在低壓環(huán)境里,擴(kuò)散系數(shù)D取決于環(huán)境溫度T。如果知道衛(wèi)星在軌溫度和地面試驗(yàn)溫度,就可以分別得到該溫度環(huán)境下材料的擴(kuò)散系數(shù),也就可以根據(jù)式(1)反推出同樣出氣量下的在軌和地面試驗(yàn)的出氣時(shí)間比。根據(jù)QJ1371—1988標(biāo)準(zhǔn),設(shè)定試驗(yàn)溫度為125℃,真空度≤1.0×10-4Pa,同時(shí)參考星用非金屬材料在125℃高真空出氣環(huán)境下6h的除氣量就可以達(dá)到總出氣量的80%,將除氣時(shí)間分別設(shè)為0h(不進(jìn)行除氣)、6h和12h,然后按照相應(yīng)的時(shí)間除氣后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。1.1.2質(zhì)內(nèi)深度的確定及驗(yàn)證對(duì)于背面接地的介質(zhì),輻照期間,任意時(shí)刻介質(zhì)的表面電位、電場(chǎng)、入射電子通量和介質(zhì)電導(dǎo)率的關(guān)系為式中:V(t)為輻照時(shí)介質(zhì)的表面電位;E(x,t)為輻照時(shí)t時(shí)刻介質(zhì)內(nèi)深度為x處的電場(chǎng);φ(0)、φ(x)分別為介質(zhì)正面和深度x處的高能電子通量,可由蒙特卡羅工具Geant4模擬得到;ε為介電常數(shù);σ為介質(zhì)電導(dǎo)率。根據(jù)邊界條件E(x,0)=0以及式(2)、式(3)可以得到本文參照文獻(xiàn),將試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘法擬合得到一條目標(biāo)曲線(xiàn);然后選取不同的σ值,根據(jù)式(4)得到不同的試探曲線(xiàn);比較所有試探曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)的目標(biāo)曲線(xiàn)上的數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,可得到與目標(biāo)曲線(xiàn)吻合最好的試探曲線(xiàn),該曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的σ值即為最接近材料真實(shí)電導(dǎo)率的取值。1.2測(cè)試設(shè)備1高溫真空除氣試驗(yàn)真空高溫除氣裝置包括溫控系統(tǒng)和真空系統(tǒng),溫控范圍為20~200℃,溫控精度為1℃,真空極限壓力≤1.0×10-4Pa,可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)高溫真空除氣試驗(yàn)。2試驗(yàn)儀測(cè)量系統(tǒng)航天器充放電模擬裝置主要包括真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、電子輻照裝置和測(cè)量系統(tǒng)(如圖1所示)。其中測(cè)量系統(tǒng)包括表面電位計(jì)、弱電流計(jì)、羅氏線(xiàn)圈和電場(chǎng)脈沖探測(cè)儀等,可在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量樣品的表面電位、泄漏電流、放電電流和電磁脈沖等。該模擬裝置配備的輻照源有兩種,此次試驗(yàn)中使用90Sr-90Y輻照源模擬地球外輻射帶的高能電子環(huán)境。3探測(cè)時(shí)電位接頭位置與試樣距離相對(duì)誤差①Trek341B型非接觸式真空靜電電位測(cè)量?jī)x:測(cè)量范圍為-20~20kV,探測(cè)時(shí)電位探頭與試樣距離為3mm,測(cè)量相對(duì)誤差在±0.1%之間。②SartoriusCP225D準(zhǔn)微量天平:分辨率0.01mg,量程80g。1.3真空除氣和表面電位測(cè)量試驗(yàn)采用的樣品為CZ022型聚酰亞胺板,規(guī)格為400mm×400mm×2mm,共4塊,分別標(biāo)記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)。1號(hào)樣品不作任何處理,2號(hào)樣品放置于真空高溫除氣裝置中進(jìn)行6h除氣處理,3號(hào)樣品放置于真空高溫除氣裝置中進(jìn)行12h除氣處理,4號(hào)樣品在真空高溫除氣6h、12h、24h、48h后用準(zhǔn)微量天平稱(chēng)重并記錄質(zhì)量在除氣前及其隨烘烤時(shí)間的變化。真空高溫除氣之后,將1~3號(hào)樣品分別放入航天器充放電模擬裝置進(jìn)行輻照,輻照源為90Sr-90Yβ源,參照空間惡劣情況,輻照電流密度設(shè)置為5pA/cm2。采用非接觸式方法測(cè)量樣品表面電位,測(cè)量時(shí)停止電子輻照,將置于零電位點(diǎn)處的電位探頭置于樣品前表面3mm處,記錄試樣表面電位隨時(shí)間的變化。在充電電位出現(xiàn)平衡趨勢(shì)后,停止試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。2試驗(yàn)結(jié)果2.1h除氣前后試樣的質(zhì)量變化125℃下4號(hào)樣品的質(zhì)量隨除氣時(shí)長(zhǎng)的變化見(jiàn)表1。從表1可以看出,隨著除氣時(shí)間的增加,試樣質(zhì)量變化越來(lái)越小,24h與48h除氣后試樣的質(zhì)量變化非常小。除氣前和除氣后的質(zhì)量差為出氣量,可近似認(rèn)為48h后的出氣量即為總出氣量,其值為0.03192g。6h的出氣量為0.02484g,占總出氣量的77.8%,這與文獻(xiàn)中星用非金屬介質(zhì)6h真空高溫除氣后出氣量占總出氣量80%的說(shuō)法基本一致。12h的出氣量為0.03156g,占總出氣量的98.9%,可基本認(rèn)為地面試驗(yàn)12h后材料出氣基本完成。2.2表面充電電位試驗(yàn)分別測(cè)量了1號(hào)(不除氣)、2號(hào)(加速除氣6h)和3號(hào)(加速除氣12h)樣品表面充電電位隨時(shí)間的變化,數(shù)據(jù)如圖3所示。結(jié)果顯示,在同樣的輻照電流密度下,經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間(6h以上)真空高溫除氣的樣品,其表面充電平衡負(fù)電位比未作真空除氣處理的樣品至少高1500V,這表明樣品的電荷泄漏能力隨出氣量的增加而下降,放電風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。2.3聚酰亞胺的電導(dǎo)率根據(jù)1.1.2節(jié)中的電導(dǎo)率測(cè)量方法,計(jì)算得到3種除氣條件下聚酰亞胺樣品的電導(dǎo)率見(jiàn)表2。結(jié)合表1和表2可以得到聚酰亞胺樣品出氣后電導(dǎo)率隨總質(zhì)量損失的變化,如圖4所示。由圖4可知,本次試驗(yàn)選用聚酰亞胺樣品的電導(dǎo)率隨出氣量的增加而近似線(xiàn)性減小,在總質(zhì)量損失達(dá)到0.5%時(shí),電導(dǎo)率減小了約半個(gè)數(shù)量級(jí)。3聚酰亞胺的性質(zhì)介質(zhì)材料的電導(dǎo)率可以表示為σ=N·q·μ,其中N、q、μ分別為介質(zhì)材料單位體積內(nèi)的載流子數(shù)、載流子電荷和遷移率。初步分析認(rèn)為,本試驗(yàn)選用的聚酰亞胺樣品為熱塑型聚酰亞胺,由于其加工工藝的原因,樣品中殘存著二甲基酰胺(DMF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)等親水型極性溶劑和一部分的水,這些極性溶劑殘留物及聚酰亞胺中的羰基能夠和水分子結(jié)合形成氫鍵,有利于載流子的流通。當(dāng)真空出氣后,聚酰亞胺材料內(nèi)殘留的極性溶劑和水被抽出,水分子與高分子內(nèi)親水基團(tuán)及含有孤獨(dú)電子的氮氧原子形成的氫鍵遭到破壞,因此降低了載流子的遷移率,導(dǎo)致宏觀上材料的電導(dǎo)率減小。4種聚酰亞胺材料的穩(wěn)定性問(wèn)題