空間飛行器用電線電纜絕緣材料
綜述了空間飛行器上常用的電線電纜絕緣材料一聚硅氧烷、含氟彈性體、聚酰亞胺的性能.空間飛行環(huán)境對絕緣材料的要求和這三類材料的優(yōu)缺點,尤其是耐原子氧的性能進行了比較,含氟彈性體如氟化乙丙烯橡膠(FEP)受原子氧侵蝕zui輕,具有較強的耐原子氧能力。指出了新型空間飛行器用電線電纜絕緣材料的研究開發(fā)方向。
關(guān)鍵詞:電線電纜;絕緣材料;聚硅氧烷;含氟彈性體;聚酰亞胺;空間飛行器
1 前言
由于空間飛行器所處的特殊環(huán)境,對電線電纜絕緣材料的性能提出了特殊的要求ul。除了要求具有優(yōu)良的電氣絕緣性能、質(zhì)輕、低燃(或不燃)、耐高低溫、優(yōu)異的力學(xué)性能外,還要求很低的真空脫氣性、很高的耐原子氧和耐輻射等性能。
2 材料的種類
空間飛行器用電線電纜常用的有機高分子聚合物為聚硅氧烷、含氟彈性體和聚酰亞胺等。表1給出了這三類材料的部分性能。
這三類材料*的分子結(jié)構(gòu)決定了它們均具有優(yōu)良的機械性能、耐熱性、耐氧化性以及電絕緣性能[2-6]o聚硅氧烷具有優(yōu)異的耐電流超載能力。無論在燃燒時或燃燒后都能維持耐電流超載能力盯]。但是聚硅氧烷材料的真空脫氣性較差、抗切斷能力不高,它zui大的缺點是可燃,且燃燒時有煙生成,從而限制了其應(yīng)用。
雖然含氟彈性體的介電常數(shù)是zui低的(3.0以下),但是燃燒時會釋放出劇毒和強腐蝕性的氟化氫氣體,給儀器設(shè)備和宇航員造成很大威脅,還由于其密度大,制成的絕緣材料比較重,耐輻射性能也不是很理想,耐寒性較差,價格也較高,這些在一定程度上限制其在空間飛行器上的應(yīng)用。
在空間飛行器上應(yīng)用zui多的電絕緣材料是聚酰亞胺,例如采用Kapton 聚酰亞胺薄膜繞包的電線電纜在飛行器的艙內(nèi)艙外都用到它。在這三類材料中,聚酰亞胺的耐輻射性能,密度zui小,可大大減輕電線電纜的重量和空間。但是Kapton。易被原子氧侵蝕,而且耐電弧能力差。
3 耐原子氧性能
美國航空航天局(NASA)對現(xiàn)有的絕緣材料在空間環(huán)境下長時間暴露實驗表明,原子氧、紫外輻射、離子輻射、冷熱循環(huán)、微流星撞擊等對材料都有損害,其中以原子氧的侵蝕zui為嚴重。表2列出了不同絕緣材料的耐原子氧性能。
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3.1 聚硅氧烷
聚硅氧烷材料在低空間軌道中受原子氧的侵蝕率并不高,其原因是聚硅氧烷表面暴露于原子氧后,生成一薄層耐原子氧的氧化硅,它可以保護下面材料不受進一步的損害[12]。Scialdone等n 的元素分析結(jié)果表明,RTV一615硅橡膠在空間環(huán)境下長時間暴露的迎風(fēng)表面,c含量減少,si含量不變,O含量增加了一倍。氧化收縮導(dǎo)致表面層有裂紋,原子氧可以由此擴散到材料內(nèi)層,進一步侵蝕內(nèi)層聚合物,因此聚硅氧烷不適合作耐原子氧壁壘。
3.2 含氟彈性體
實驗結(jié)果表明,氟化乙丙烯橡膠( P)受原子氧侵蝕zui輕,具有較強的耐原子氧能力。這可能與FEP結(jié)構(gòu)中(見圖1)鍵能高和側(cè)基保護有關(guān)。FEP中c—c鍵能4.3eV,C—F鍵能高達5.5eV,而聚乙烯的c—c鍵能為3.9eV。FEP的側(cè)基(一CF,、一F)及其高的鍵能保護了主鏈。不然FEP暴露于原子氧環(huán)境中時,其侵蝕率應(yīng)該與聚乙烯接近,而實際上FEP遠比聚乙烯的侵蝕率小,因此推測側(cè)基c—F鍵的斷裂是FEP受原子氧損害的主要機理。在低地球軌道環(huán)境中只有30%的原子氧具有5.5eV這么高的能量,所以FEP的侵蝕率較低。
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圖1 Teflon FEP的分子結(jié)構(gòu)示意圖
3.3 聚酰亞胺
聚酰亞胺的結(jié)構(gòu)決定了在有原子氧存在的情況下它很容易受到侵蝕。在原子氧動能4.5ev時,如果將0.1mm厚的Kapton。聚酰亞胺暴露于空間站艙外,約400天就會被侵蝕掉;在zui大原子氧流時,Irma厚的Kapton。聚酰亞胺三年就會侵蝕完[15l。
由于聚酰亞胺受原子氧侵蝕較為嚴重,單獨用于空間環(huán)境時壽命較短。然而目前它又是空間飛行器中*的材料,為了使之不受原子氧的侵蝕或減少其破壞程度,人們對聚酰亞胺的改性或涂層修飾都作了很多研究[16.17]例如將SiOx、SiO 、A1:O3噴濺沉積到Kapton。聚酰亞胺薄膜上??梢苑乐乖友醯难趸?。在聚酰亞胺高分子結(jié)構(gòu)內(nèi)引入硅氧鍵也可以提高其對原子氧的抵抗能力。表3給出了原子氧對改性后的聚酰亞胺的侵蝕率。
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4 新的材料的研究與開發(fā)
上述三類材料各有優(yōu)缺點,將這三種材料混合使用或相互共混、共聚改性是研究開發(fā)新型絕緣材料的方向。如有機硅一聚酰亞胺共聚物,既具有無機硅優(yōu)異的耐高溫性和耐候性,又具有聚酰亞胺的韌性和強度,不僅克服了聚酰亞胺的脆性和難以加工的特點,也避免了有機硅強度低、易燃燒的缺點。該樹脂的介電常數(shù)為2.9(1kHz),限氧指數(shù)達到46%,而密度只有1.18kg/cm 。這種混合樹脂*可以應(yīng)用于單一聚合物不能使用的場合。
鑒于聚酰亞胺耐電弧能力差, 目前NASA致力于尋找替代材料。實驗發(fā)現(xiàn),一種聚酰亞胺帶和聚四氟乙烯層結(jié)合的絕緣結(jié)構(gòu)可以明顯地改進耐電弧性能。這種結(jié)構(gòu)的電線可以阻斷在電弧蔓延過程中由于熱降解而生成碳的途徑,同時在很寬的溫度范圍內(nèi)能保持其機械性能,具有耐久性好、燃燒時發(fā)煙量小、便于安裝、有多種來源和一定的產(chǎn)量等特點,作為宇航電線已經(jīng)得到NASA的認可