空间环境下柔性材料的老化性能研究现状.pdf
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1、第2 9 卷第1 2 期 2 0 0 8 年1 2 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N 0 1 2 D e c 2 0 0 8 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 1 2 - 0 1 3 1 - 0 6 空间环境下柔性材料的老化性能研究现状 蔡光明1 ,于伟东2 3 ( 1 东华大学纺织材料与技术实验室,上海2 0 1 6 2 0 ;2 嘉兴学院服装与艺术设计学院,浙江嘉兴3 1 4 0 0 1 ; 3 东华大学纺织学院,上海2 0 1 6 2 0 ) 摘要空间环境是一个极为
2、复杂的环境,材料在空间环境下使用不可避免地受到环境中多霞因素同时作用的影 响。材料的力学、物理、化学性质发生变化,性能失效。要准确认识和评价材料在空间环境下的性能,必须采取正确 有效的表征和研究方法。介绍了空间环境的基本特征,空间环境下材料老化性能表征的常用方法和装置,柔性材 料在热、光、真空原子氧单独及复合作用下的老化性能的研究现状及目前存在的主要问题,同时还指出了空间环境 复合作用下表征存在的主要问题,为正确评价材料在空间环境下的性能提供参考。 关键词柔性材料;空间环境;复合作用;热老化;光降解;原子氧 中图分类号:V2 5 0 3文献标识码:A C u r r e n ts t a t
3、u so fr e s e a r c ho nf l e x i b l em a t e r i a l sa g i n gp r o p e r t i e s i ns p a c ee n v i r o n m e n t C A IG u a n g m i n 9 1 Y UW e i d o n 9 2 。 ( 1 T e x t i l eM a t e r i a l sa n dT e c h n o l o g yL a b o r a t o r y ,D D ,劬啪U m v e r s 妙,S h a n g h a i2 0 1 6 2 0 ,C h i n
4、 a ; 2 C o l l e g e0 ,G a r m e n t & A r tD e s i g n ,J i a x i n gU n i v e r s i t y ,j 池i n g ,Z h e j o 吗g 3 1 4 0 0 1 ,C h i n a 3 C o l l e g eo fT e x t i l e s ,D o n g h n aU m v e r s 毋,S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ,C h i n a ) A b s t r a c tT h es p a c ee n v i r o n m e n ti sa ne x
5、t r e m e l yc o m p l e xo n e T h em a t e r i a l sb e i n ga p p l i e di nt h i s e n v i r o n m e n ta r ei n e v i t a b l yi n f l u e n c e db ym u l t i p l ef a c t o r ss i m u l t a n e o u s l y ,t h em e c h a n i c a la n dp h y s i c a lc h e m i c a l p r o p e r t i e sc h a n g
6、e ,a n ds o m ef u n c t i o n sm a yl o s e T ok n o wa n de v a l u a t et h ep r o p e r t i e so fm a t e r i a l si nt h es p a c e e n v i r o n m e n t ,w em u s ta d o p te f f e c t i v ec h a r a c t e r i z a t i o na n dr e s e a r c hm e t h o d s T h es c o p eo ft h i sp r e s e n t a
7、 t i o n i n c l u d e st h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c s ,m e a s u r e m e n tm e t h o d sa n di n s t r u m e n t sf o rc h a r a c t e r i z a t i o no fm a t e r i a l sa g i n g p r o p e r t i e si nt h es p a c ee n v i r o n m e n t ,t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e
8、a r c hs t a t u sa n de x i s t i n gp r o b l e m so ff l e x i b l e m a t e r i a l sa s i n gp r o p e r t i e su n d e rt h e r m a l ,p h o t o ,v a c u u m ,a t o m i ca n dc o m p o u n de n “r o n m e n t s M e a n w h i l e , t h em a i ne x i s t i n gp r o b l e m si nc h a r a c t e r
9、i z a t i o ni nt h es p a c ee n v i r o n m e n ta r ed i s c u s s e d T h es t u d yp r o v i d e ss o m e g u i d a n c ef o re v a l u a t i n gt h em a t e r i a l sp r o p e r t i e si ns p a c ee n v i r o n m e n t K e yw o r d sf l e x i b l em a t e r i a l ;s p a c ee n v i r o n m e n
10、t ;c o m p o u n de f f e c t ;t h e r m a la g i n g ;p h o t o d e g r a d a t i o n ;a t o m i c 空间环境是一个微重力、高真空、超高与超低 温、强辐射和等离子体的环境。材料在这种环境下 使用不可避免地会发生老化、降解,导致材料力学、 物理、化学性能的变化,乃至失效,因此需要采取 有效的研究方法来评价材料在空间环境下的老化性 能。空间环境下材料的老化性能研究一般采用空间 飞行试验或地面模拟的方法心J ,虽然飞行试验能够 真正地测量材料在实际环境下的老化降解性能,但 代价和风险大;因此,目前有关空
11、间环境对材料性能 影响的研究大多采用地面模拟试验。近年来已有越 来越多的研究者采用不同的试验装置来模拟空间环 境。如模拟真空原子氧环境、真空原子氧紫外装 置口 、空间环境复合装置心】。利用这些装置和方法 可研究材料在单独或复合环境下的性能、作用机制, 这为评价材料在空间环境下的性能,选取优良的空 间材料提供了有效的方法。 收稿日期:2 0 0 7 1 2 2 5修回日期:2 0 0 8 0 7 1 8 作者简介:蔡光明( 1 9 8 2 一) ,男,博士生。研究方向为柔性材料的老化性能。于伟东,通讯作者,E m a i l :w d y u d h u e d u c n 。 万方数据 PDF
12、 Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 3 2 纺织学报第2 9 卷 1 空间环境的特征 空间环境是高真空、超高与超低温、原子氧、等 离子体、电磁、紫外光辐射,及含大量太空碎片的 空间。 空间环境的真空度一般小于1 3 3m P a ,高真空 会引起材料的表面放气,使材料质量损失、尺寸变得 不稳定、表面和内部构造发生改变,导致材料损 伤J 。高真空中的强紫外线辐射对无保护层的聚合 物有极强的破坏作用,会导致材料降解,表面形态、 光学性能改变,光泽变差,力学性能逐渐降低
13、。空间 环境温度在+ 2 0 0 一一1 8 0o C 之间变化,这会引起材 料的快速热老化和降解。低温会引起材料变脆而发 生断裂。同时这种快速的热循环作用会使材料容易 破坏、解体。空间环境中高活性的原子氧会严重危 害聚合物材料,使其表面腐蚀,质量损失,发生降解, 力学、热学、光学性质变化,材料表面化学成分改变。 2 柔性材料的空间老化性能研究方法 2 1 空间飞行暴露试验 空间暴露试验有很高的可信度与应用价值,但 成本较高。2 0 世纪8 0 年代以来,以美国N A S A ( 美 国宇航局) 为首的一些研究机构,先后利用航天飞机 在低地球轨道环境中进行了多次空间暴露试 验川。主要有长期空间
14、暴露试验和短期空间暴露 试验2 种。长期空间暴露试验包括N A S A 的L D E F ( 长期暴露试验室) 试验与M E E P ( 和平环境效应有 效载荷) 试验。N A S A 投放的L D E F 进行了近地球轨 道空间环境长期暴露试验。装置绕地球飞行了6 9 个月,是迄今为止所进行的时间最长的空间暴露试 验。研究人员分析了L D E F 上各种试验材料,并建 立了L D E F 数据库和L E O ( 轨道) 环境效应数据库。 R C C 1 试验是在“和平”号空间站外表面上完成的, 对3 0 0 多种材料共进行了4 7 0d 的环境暴露试验。 俄罗斯与美国在1 9 9 6 - -
15、 1 9 9 7 年联合完成了M E E P 试 验u “。N A S A 利用航天飞机开展了S T S ( 亚特兰特 蒂斯) 系列飞行试验,用以研究短期暴露时空间环 境对航天器材料性能的影响。空间飞行试验能获得 低地球轨道空间环境与航天器表面材料作用的真实 数据,具有极高的参考价值,但由于其受到的限制条 件多,周期长,费用高,且只能获得时间积分效应的 数据,很难实时跟踪试验。 2 2 空间环境地面模拟试验 空间环境地面模拟试验目前较多的是在实验室 进行空间复合环境的模拟。图l 【2 1 所示为模拟真 空、等离子体、紫外线辐射、热循环复合环境来表征 复合环境对材料的作用,评价材料在复合环境作用
16、 下的各项性能。空间环境地面模拟方法的成本和风 险较小,但仍与实际的空间环境有一定差距。 图1 空间环境地面模拟装置 F i g 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fL E Os p a c ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o nf a c i l i t y 2 3 理论方法与数值模拟 在空间环境下材料同时受到原子氧、真空紫外 线辐射、真空热循环、电磁辐射、空间碎片以及微流 星体等空间环境的影响,通过飞行暴露试验所取得 的数据通常不是由单一机制而是由几个机制产生的 综合结果。地面模拟试验可以通过控制外界条件来 达
17、到取得单个机制与多种机制耦合的试验结果,但 只能给出各种机制相互作用的定性规律。理论方法 是采用建立各种模型来开展空间环境与材料相互作 用的特性研究,国外工作者借助对试验结果的认识, 建立了一批理论模型,为暴露试验或地面模拟试验 提供理论依据。近来还有不少研究人员致力于采用 数值模拟来研究空间环境与材料相互作用的机制, 主要是利用M o n t eC a r l o 方法进行直接模拟“ 1 。如航 天器表面材料在空间和在模拟装置中的寿命是通过 一系列转换因子相联系的,这些转换因子通常可以 采用随机模拟方法( 蒙特卡罗法) 来确定哺。B a n k s 等阳1 推出了用地面模拟试验数据和数值模拟
18、结果相 结合计算双面保护的聚酰亚胺薄膜材料在空间原子 氧基蚀下的质量损失公式。 M s ,F s = ( 肘 ,R ) ( y ,Y s ) ( 1 ) 式中:膨。为空间原子氧环境下材料单位面积的质 量损失;F 。为材料所承受的空间原子氧通量;M 为 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 2 期蔡光明等:空间环境下柔性材料的老化性能研究现状 。1 3 3 。 地面模拟试验原子氧环境下材料单位面积的质量损 失;F 。为材料所承受的地面模拟试验有效原子
19、氧通 量;Y 。、Y 。分别为数值模拟得到的无保护层聚酰亚 胺在地面试验和空间环境下的厚度损失。需要指 出,式中y 、K 应在同样的数值模拟原子氧通量下 得到。 3 空间环境下老化性能的表征及研究 材料在空间环境中受到光、热、真空、原子氧的 复合作用,要表征材料在这些环境中的老化性能,对 材料的性能进行预测,必须进行环境模拟和预测,限 于复合表征的困难,目前较多的是利用单独表征来 研究材料的老化性能。 3 1 光单独作用下的老化性能 表征材料在光单独作用下的性能一般采用自然 光下老化试验和人工加速老化试验。目前主要利用 碳弧灯、氙光灯来模拟太阳光进行光老化试验u 0 】, 也有利用紫外灯、紫外
20、老化仪来进行加速老化试 验,对材料进行一定时间的照射以评价材料的耐 光老化性能。常用的表征指标有材料的断裂强度、 断裂伸长、模量、材料成分、表面结构、形态等。 加拿大的D a yM 利用A t l a sx e n o n a l W e a t h e r O m e t e r ( M o d e l6 0 0 W R ) 来模拟日光照射N o m e x 织 物,发现N o m e x 物理性能的退化是由于发生了光化 学反应,主要是光氧化改变了聚合物的化学组成,首 先是纤维表面然后随着进程深入内部n 副;JRB r o w n 进行了K e v l a r 4 9 织物和纱线的户外日光老
21、化试验, 结果发现未经织造的纱线断裂强度保持率高于在织 物中经过同样照射的纱线的强度保持率 1 3 1 ;据加拿 大的L Jn a l v a r 介绍,芳纶很容易受到紫外线破坏, 薄的K e v l a r 2 9 织物在佛罗里达( F l o r i d a ) 1 3 光下照射 5 周后会损失4 9 的强力,即使是复合材料,也会遭 受压缩、剪切等方面的影响制;美国国家航空和宇 宙航行局的MAS a i d 研究了K e v l a r 4 9 、Z y l o n 、V e c t r a n 和S p e c t r a4 种纤维的耐紫外光性能,研究发现暴露 紫外光一段时间后K e v
22、 l a r 4 9 、Z y I o n 、V e c t r a n 纤维的强 力有下降趋势,丽S p e c t r a 纤维变化较小,可能是 S p e c t r a 纤维在暴露过程中发生了交联。暴露7 2h 后Z y l o n 纤维的强力低于S p e c t r a 和K e v l a r 4 9 纤维,暴 露1 4 4h 后V e c t r a n 纤维的损失最大达到8 6 【l 引。 刘晓艳研究了K e v l a r 、T w a r o n2 0 0 0 、T e f l o n 、P B O 、 K e r m e l 、U H M W P E 纤维的耐光性能。发
23、现U H M W P E 纤维的耐光性最好,K e n n e l 纤维在日晒条件下力 学性能下降最快,经碳弧灯照射1 6 0h 后纤维出现力 学性能退化和变脆的特征叫;天津工业大学黄故研 究发现经紫外线照射4 0h 后玻璃纤维的强力下降 5 0 1 6 】。 以上主要是利用模拟光加速老化装置研究在长 时间光照作用下材料力学性能的衰减情况,尽管这 些方法和研究可以评价材料的耐光性能,但与太空 中光与材料作用仍有差异。太空是一个复合环境, 其他因素也有一定的影响,如温度、其他辐射、外力 作用等。为与空间环境更加接近,应该研究材料在 一定温度、辐射或力作用下的耐光性,这样才能更准 确评价材料在空间
24、环境下的耐光性能。 3 2 热单独作用下的老化性能 对材料在热作用下的表征一般涉及2 方面:一 是在热作用下,由材料结构特征的变化而引起的性 能的裂化及内部组分结构的变化;二是在热或热氧 作用下分子的降解或材料失重的测量。第2 方面的 测量已有较为专业的仪器,如:热重分析仪( T G ) 、热 力学分析仪( I M A ) 、差热分析仪( D T A ) 、差式扫描量 热法( D S C ) ,或利用热处理装置如烘箱、马弗炉、热 老化仪等对材料进行热处理。常用的表征指标有材 料的热分解温度、玻璃化温度、动态损耗性能以及材 料的力学性能( 断裂强度、断裂伸长、模量) 、成分、表 面结构、形态的变
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- 关 键 词:
- 空间 环境 柔性 材料 老化 性能 研究 现状
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