不同初始应力的Kapton薄膜的蠕变性能研究

聚酰亚胺薄膜(Kapton薄膜)作为一种航天膜材,其蠕变效应对结构的影响至关重要。为研究其蠕变力学性能,首先选用厚度为25μm的Kapton薄膜,在极限抗拉强度的35%、50%、65%、80%4组应力水平下,进行单轴蠕变拉伸试验。其次根据得到的蠕变力学曲线分析不同初始应力下薄膜蠕变的变化规律,结合蠕变伸长率描述薄膜随初始应力的蠕变特性并探讨其内在机理。最后采用经典Kelvin、经典Maxwell、四元件Burgers、三参数广义Kelvin、五参数广义Kelvin 5种蠕变本构模型对试验数据进行拟合,并对比分析各模型的拟合效果。结果表明:Kapton膜材具有明显的粘弹性性能,在设计中应予以考虑;初始应力对Kapton膜材的蠕变性能影响显著,初始应力越大,蠕变初期应变越大,稳态蠕变阶段应变保持值越高,粘弹性越明显;不同方向上的拉伸断裂应力水平导致蠕变性能的差异性,各应力状态下总应变TD(机器展开方向)大于MD(垂直方向);随着初始应力的增大,薄膜的蠕变伸长率先增大后减小,这是因为初始应力对薄膜内部的应力状态和位错运动的影响是复杂的,并且存在一个平衡点。本研究采用的五参数广义Kelvin模型能够较好地预测Kapton膜材的蠕变性能,拟合结果的可决系数均超过0.99,Burgers模型次之;经典Kelvin、三参数广义Kelvin以及经典Maxwell模型拟合可决系数在0.71~0.86之间,其拟合结果满足实际工程的需要。

Kapton薄膜偏轴拉伸试验研究

为深入揭示Kapton高分子膜材强度和刚度特征,对其进行7个偏轴角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)下的单轴拉伸试验,获得了材料在各角度下的应力-应变关系、强度和断裂延伸率等数据,推导了相应的弹性模量-应变关系。结果表明:Kapton薄膜为典型的非线性、各向异性材料,整个拉伸过程的应力-应变曲线可以分为3个阶段,即近似弹性段、应变强化段、应力强化段;Kapton膜材强度随偏轴角度的变化表现出“N”形分布规律,异于Tsai-Hill等强度准则的“U”形规律,这是由于膜材内部分子链的择优取向,导致偏轴角度30°时抗拉强度最大,偏轴角度60°时抗拉强度最小;断裂延伸率随偏轴角度的增大呈现出增大的趋势;不同偏轴角度下的弹性模量均有所差异,正交各向异性板的弹性理论可以较好预测Kapton膜材的等效弹性模量;研究所得结论可为Kapton膜材强度、变形预测及相应的充气可展结构设计分析提供参考。

激光源原子氧对Kapton薄膜和Kapton/Al薄膜二次表面镜性能的影响

在模拟空间环境原子氧暴露条件下,采用激光源原子氧对热控涂层材料Kapton薄膜、Kapton/Al薄膜二次表面镜进行了不同剂量的暴露试验。研究了这两种材料的质量损失、表面形貌随原子氧暴露剂量的变化关系,以及Kapton薄膜的光谱透过率、Kapton/Al薄膜二次表面镜的光谱反射率和太阳吸收比Δαs随原子氧暴露剂量的演化规律。结果表明:两种材料的质量损失随原子氧暴露剂量的增加呈线性增大;原子氧暴露后,试样表面呈"地毯"状形貌,且随暴露剂量的增加粗糙度变大;Kapton薄膜的光谱透过率、Kapton/Al薄膜二次表面镜的光谱反射率随原子氧暴露剂量的增加而降低,Kapton/Al薄膜二次表面镜的太阳吸收比Δαs随暴露剂量的增加而增大。最后对Kapton薄膜的存在寿命和Kapton/Al薄膜二次表面镜绝热平面的平衡温度进行了预测。

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 。

Kapton CR防电晕薄膜热老化特性的研究

研究了热老化和冷热循环老化对Kapton CR薄膜击穿电压、拉伸强度和伸长率的影响。结果表明:Kapton CR薄膜的拉伸强度和伸长率随着热老化时间的延长和冷热循环老化次数的增多而明显变小,而Kapton CR薄膜的击穿电压没有明显变化。

高梯度绝缘子初步研究及Kapton绝缘性能分析

为发展高梯度绝缘子,介绍了这种新型绝缘子的耐压机理,利用单电子理论对绝缘层厚度进行了初步的定量估计,从材料耐热性能、出气率、介电常数、耐辐射等几个方面对Kapton用于真空高压绝缘的优越性进行了讨论,利用经验公式绘制了Kapton材料的二次电子发射数量随能量的变化关系曲线图,对实际设计微堆层绝缘子具有参考价值。

电子辐照能量对Kapton/Al热控涂层光学性能的影响

研究了电子辐照时,电子能量与累积通量对Kapton/Al热控涂层光学性能的影响。采用原位测量的手段记录了辐照前后的光谱反射系数。试验结果表明,电子辐照后Kapton/Al热控涂层的反射性能,在太阳光谱辐射强度较大的300～1200nm波长区间产生较大程度退化。在电子辐照作用下,作为离子导电型聚合物的Kapton薄膜表面没有发现辐照充电效应。辐照后涂层材料存在"退火效应",或称"漂白效应"。Kapton/Al涂层太阳吸收比的变化量与电子辐照累积通量的变化关系成幂函数形式,其系数与指数的极大值与极小值分别出现在电子能量为50keV附近。在辐照累积通量相同时,该变化量随辐照电子能量的提高而增大。

防静电Kapton二次表面镜的电子辐照效应

文章研究防静电Kapton二次表面镜(ITO/Kapton/Al)在不同能量电子辐照后,太阳吸收比退化情况,并利用X射线光电子能谱仪(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对样品表面的成分和形貌进行了分析。结果表明,相同电子注量下,电子能量越高,对样品的太阳吸收率退化作用越大;电子辐照对样品表面形貌影响不大,但是会降低表面氧化铟锡的含量;不同能量的电子对样品表面成分的损伤效应是一致的。

Kapton抗原子氧侵蚀的Al_2O_3涂层研究

在原子氧侵蚀地面模拟设备中对 Kapton和利用反应溅射制备的 Al2 O3 涂层进行了原子氧暴露实验 ,并采用 XPS和 SEM等分析手段对暴露前后试样表面的物理和化学变化进行了研究。结果表明 ,Kapton试样遭受了严重的侵蚀 ,质量损失较大 ;Al2 O3 涂层质量变化很小 ,对基体提供了良好的保护作用。XPS分析结果表明 ,Kap-ton的羰基与原子氧作用时形成 CO2 ,随后 CO2 气体脱附。反应溅射的 Al2 O3 涂层是富 Al的 ,初始暴露时由于氧化反应而质量有少许增加 ,随时间延长 。

原子氧与紫外综合辐照对Kapton/Al性能的影响

Kapton/Al薄膜二次表面镜是一种广泛应用的热控涂层,用于维持航天器表面正常的工作温度。本文利用激光源原子氧设备对Kapton/Al薄膜二次表面镜进行了原子氧与紫外综合辐照试验,试验前后通过高精度微量天平、扫描电镜、紫外-可见-近红外分光光度计及X射线光电子能谱仪等测试分析手段观察了材料质量损失、表面形貌、光学性能随辐照时间的演化规律,分析了试验前后Kapton/Al薄膜二次表面镜表面成份的变化。结果表明:Kapton/Al薄膜二次表面镜的质量损失随辐照时间的增加呈线性增大,原子氧与紫外综合辐照造成的质量损失明显高于单独原子氧作用产生的质量损失;试验后试样表面呈"地毯"状形貌,且随辐照时间的增加表面粗糙度变大;Kapton/Al薄膜二次表面镜的光谱反射系数随综合辐照时间的增加而降低,致使太阳吸收比的变化不断增大;试验后试样表面成份变化明显,说明原子氧和紫外环境与Kapton/Al薄膜二次表面镜表面发生了复杂的物理化学作用。

高结晶度石墨膜前驱体“Kapton”薄膜热解行为的研究

研究了制取高结晶度石墨膜用的聚酰亚胺薄膜“Kapton在氮气气氛里加热到1000℃的热解行为。实验表明,样品大量质量损失和尺寸收缩发生在500～800℃区间,当温度超过800℃后,其趋于缓和。考察了样品的热解动力学,对相关活化参数的变化进行了一定讨论。用原子力显微镜(AFM)观测了热解1000℃时样品的表面形貌,认定其表面结构带有含氮的杂环缩合芳香层面的类石墨炭微晶,这些炭微晶的堆积呈现较为混乱和不规则状态。

不同面积Kapton材料的放电特性实验研究

航天器表面介质材料在空间等离子环境下会产生放电现象,放电诱发的瞬态脉冲会对航天器在轨安全运行产生严重影响。通过对不同面积的125μm厚Kapton温控材料进行放电实验,对放电诱发的瞬态脉冲进行测量,总结分析其规律,得出4～36 cm2Kapton材料和64～225 cm2Kapton材料的放电波形存在比较大的差异,而且随着材料面积增加,Kapton材料的放电电流峰值、放电持续时间、放电电荷损失量和放电频率都相应的升高。对Kapton材料放电特性的研究,将为航天器带电防护设计和放电危害评估提供数据支持。

90keV电子辐照对Kapton H薄膜化学结构的影响

文章研究了能量为90keV的电子辐照对Kapton H薄膜化学结构的影响。XPS分析表明,低能电子辐照导致Kapton H薄膜分子结构中C—N和C—O键的断裂,以及C=O键的断裂和重组,并且有部分键断裂后交联。随着辐照剂量及辐照能量的增加,材料中的C—N、C=O键含量减少,形成表面碳富集。辐照使柔性结构C—O键被破坏,产生的交联及以苯环为主的三维立体网状结构使其表面硬度增加。

Kapton薄膜低温单向拉伸性能

为考察充气天线结构反射面膜材的低温力学性能,对厚度为25μm的Kapton(聚酰亚胺)高分子膜材,沿机器展开方向(machine direction,简称MD)和垂直方向(transverse direction,简称TD)2个方向按相应规范裁取长条型试样,进行了5种温度(20,0,-10,-40和-70℃)下的单向拉伸性能实验,得到低温下该膜材应力⁃应变曲线,从微观层面解释随温度降低膜材拉伸曲线由非线性过渡至线性的变化机理。在低温单向拉伸实验基础上,提出Kapton膜材强度的温度影响系数,获取抗拉强度、断裂延伸率、等效屈服应力、屈服应变和拉伸弹性模量随温度影响系数的变化规律,同时给出各力学性能参数随温度变化的拟合公式。该实验结果为Kapton膜材低温使用环境下的强度设计分项系数取值提供依据,同时为充气可展天线结构在轨极端温度场效应测试提供材料性能的基础数据。

Kapton薄膜高温单轴循环拉伸的力学性能

以25μm厚充气可展结构膜材Kapton(聚酰亚胺膜)为研究对象,选取6种温度工况(20,50,80,110,140,170℃)对其进行高温下单轴循环拉伸试验.通过分析不同循环次数和温度下的应力-应变数据,阐释了高温循环荷载作用下材料的受力机理与性能表征,分别建立了循环弹性模量与循环次数和温度的关系式,并获得了对棘轮应变以及滞回环面积等力学性能参数的影响规律.试验和分析结果表明:随着循环次数的增加,弹性模量逐步增大,滞回环面积减小;高温使得弹性模量显著降低,而滞回环面积增大;以最后一次循环加载后的结果来看,温度对TD(垂直膜材长度方向)的棘轮应变影响更大.研究所得结论可为极端温度场下的充气可展结构设计及在轨交变高低温测试提供参考.

温度对kapton聚酰亚胺力学性能与疲劳强度影响的研究

研究了kapton薄膜的力学性能、疲劳强度与温度的关系。结果表明:kapton的屈服强度和拉伸强度均随温度的升高而降低,但温度对拉伸强度的影响更为显著;kapton的弹性模量随温度升高而增大,但温度越高,弹性模量增大得越慢;20℃以下时,温度升高对kapton的延伸率没有影响,20℃以上时,延伸率随温度升高而降低;随温度升高kapton薄膜的疲劳强度线性降低。

Kapton膜材低温单轴循环拉伸力学性能研究

为明晰充气天线反射面膜材的低温循环拉伸力学性能,对25μm厚的Kapton膜材进行了低温(20、0、-10、-40、-70℃)下的单轴循环拉伸试验,通过分析不同循环次数和温度下的应力-应变曲线,阐释了低温循环荷载作用下材料的受力机理与性能表征,分别建立了弹性模量与循环次数和温度的关系式,并获得了参量对棘轮应变以及滞回环面积的影响规律.试验结果表明:随着循环次数的增加,弹性模量逐步增大,滞回环面积减小;低温使得弹性模量显著提高,而滞回环面积减小;以最后一次循环加载后的结果来看,温度对膜材垂直方向的棘轮应变影响更大.研究所得结论可为极端温度场下的充气可展结构设计及在轨交变高低温测试提供参考.

原子氧与紫外综合辐照下Kapton/Al结构变化

在激光源原子氧地面模拟设备中对Kapton/Al薄膜二次表面镜进行了原子氧与紫外综合辐照实验,研究了Kapton/Al薄膜质量及太阳吸收比的变化,重点关注了实验前后Kapton/Al薄膜表面结构及成份的改变。结果表明:Kapton/Al薄膜二次表面镜的质量随辐照时间的增加逐渐减小,太阳吸收比的变化趋势与之相反,随辐照时间的增加逐渐增大;综合辐照后Kapton/Al薄膜表面主要官能团数量呈下降趋势;综合辐照过程中材料表面C-C键、C-N键的破坏及在原子氧和紫外环境中重新结合成新的化学结构是造成Kapton/Al薄膜性能退化的主要微观机制,气体小分子的挥发是造成Kapton/Al薄膜质量损失的主要原因。

Kapton/Al薄膜的电子辐照损伤

使用空间综合辐照设备对Kapton/Al薄膜进行了电子辐照的地面模拟实验,研究了Kapton薄膜的表面形貌、光学性能变化和辐照损伤机制,结果表明,辐照使Kapton薄膜表面发生了明显的充放电效应;在500-1000nm波长区间光谱反射系数明显降低,太阳吸收比随着电子辐照剂量的增加而增高;在辐照过程中Kapton薄膜发生酰亚胺基团的破坏、羰基和桥氧键的断裂以及O在N^+逸出空位处的替换,并有较复杂的新结构生成.

质子辐照Kapton/Al的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗方法（MC方法），模拟了质子辐照时质子的能量损失、射程、射程偏离及其产生的空位缺陷和电离能损分布。模拟结果表明：入射能量在10～300keV区间，Kapton／Al对入射质子的阻止本领主要取决于电子阻止本领，在80keV出现峰值，可作为地面模拟试验能量选取的参考；质子在Kapton／Al中的射程分布可近似看作高斯分布，质子射程及其偏离随能量增加而增加；位移缺陷和电离作用是两个相对的过程，低能时主要表现为位移缺陷，高能时表现为电离作用。