卫星介质材料的真空出气对介电性能的影响

卫星介质材料的真空出气对介电性能的影响

0卫星内部充电风险评估在复杂的空间环境中运行的卫星是导致故障和异常的主要环境效应。内部充电是指空间高能电子穿透卫星蒙皮,在其内部的介质材料或悬浮导体上沉积并建立电场的过程。当介质材料中的电场超过阈值时便会发生放电,放电不仅对材料本身造成损伤,产生的ESD(静电放电)脉冲还会干扰卫星上电子仪器的正常工作。内部充电效应发生的程度是由卫星所处的轨道环境、自身的屏蔽水平以及星上介质材料的特性共同决定的,其中,介质材料特性中最为关键的因素是电导率,它的大小直接决定了介质内部沉积电荷泄漏的快慢,进而决定了充电电场的大小和放电的风险。长寿命卫星在长时间真空、辐射、高低温交变等空间环境的作用下,包括电导率在内的材料特性都有可能发生显著变化。因此,在评估一颗卫星的内部充电风险时,不仅需要考虑寿命初期的情况,还需考虑寿命末期的情况。但目前相关的研究还比较少,除一些关于高能电子辐照对高聚物介电性能影响的报道之外,对卫星内部充电的研究或工程评估多以新材料即寿命初期材料为主。空间环境的另一个显著特点是高真空:根据轨道高度的不同,真空度约在10-6~10-10Pa。卫星上的介质材料长期处于高真空环境下,将不可避免地产生出气效应。材料出气除了会造成卫星污染之外,还将导致材料本身的物理或化学性质改变,这些改变有可能影响到材料的电导率,从而增加卫星寿命末期的内部充放电风险。本文针对这一问题,以卫星上常用的聚酰亚胺材料为例,通过试验初步研究材料出气对电导率的影响。1方法和配置1.1长期伺服的出气情况通过地面加速试验,模拟聚酰亚胺材料在空间长期服役的出气情况;然后利用真空条件下的电荷注入方法,测量材料样品的电导率,分析不同出气时长对样品电导率的影响。1.1.1材料出气时间t在空间高真空环境下,非金属材料的出气主要以扩散为主。基于扩散理论和相应的边界条件及初始条件,可以得到出气量与时间和扩散系数的关系为式中:Q是出气量;D是扩散系数;d是样品的厚度;C0是材料初始的含气浓度;t是出气的时间。根据式(1),假设材料出气产物不发生化学变化,则材料的出气量Q由扩散系数D和出气时间t决定。对于同种材料,在低压环境里,扩散系数D取决于环境温度T。如果知道卫星在轨温度和地面试验温度,就可以分别得到该温度环境下材料的扩散系数,也就可以根据式(1)反推出同样出气量下的在轨和地面试验的出气时间比。根据QJ1371—1988标准,设定试验温度为125℃,真空度≤1.0×10-4Pa,同时参考星用非金属材料在125℃高真空出气环境下6h的除气量就可以达到总出气量的80%,将除气时间分别设为0h(不进行除气)、6h和12h,然后按照相应的时间除气后进行后续试验。1.1.2质内深度的确定及验证对于背面接地的介质,辐照期间,任意时刻介质的表面电位、电场、入射电子通量和介质电导率的关系为式中:V(t)为辐照时介质的表面电位;E(x,t)为辐照时t时刻介质内深度为x处的电场;φ(0)、φ(x)分别为介质正面和深度x处的高能电子通量,可由蒙特卡罗工具Geant4模拟得到;ε为介电常数;σ为介质电导率。根据边界条件E(x,0)=0以及式(2)、式(3)可以得到本文参照文献,将试验测得的数据通过最小二乘法拟合得到一条目标曲线;然后选取不同的σ值,根据式(4)得到不同的试探曲线;比较所有试探曲线与实测的目标曲线上的数据点的标准偏差,可得到与目标曲线吻合最好的试探曲线,该曲线对应的σ值即为最接近材料真实电导率的取值。1.2测试设备1高温真空除气试验真空高温除气装置包括温控系统和真空系统,温控范围为20~200℃,温控精度为1℃,真空极限压力≤1.0×10-4Pa,可进行长时间持续高温真空除气试验。2试验仪测量系统航天器充放电模拟装置主要包括真空容器、真空抽气系统、电子辐照装置和测量系统(如图1所示)。其中测量系统包括表面电位计、弱电流计、罗氏线圈和电场脉冲探测仪等,可在试验过程中测量样品的表面电位、泄漏电流、放电电流和电磁脉冲等。该模拟装置配备的辐照源有两种,此次试验中使用90Sr-90Y辐照源模拟地球外辐射带的高能电子环境。3探测时电位接头位置与试样距离相对误差①Trek341B型非接触式真空静电电位测量仪:测量范围为-20~20kV,探测时电位探头与试样距离为3mm,测量相对误差在±0.1%之间。②SartoriusCP225D准微量天平:分辨率0.01mg,量程80g。1.3真空除气和表面电位测量试验采用的样品为CZ022型聚酰亚胺板,规格为400mm×400mm×2mm,共4块,分别标记为1号、2号、3号和4号。1号样品不作任何处理,2号样品放置于真空高温除气装置中进行6h除气处理,3号样品放置于真空高温除气装置中进行12h除气处理,4号样品在真空高温除气6h、12h、24h、48h后用准微量天平称重并记录质量在除气前及其随烘烤时间的变化。真空高温除气之后,将1~3号样品分别放入航天器充放电模拟装置进行辐照,辐照源为90Sr-90Yβ源,参照空间恶劣情况,辐照电流密度设置为5pA/cm2。采用非接触式方法测量样品表面电位,测量时停止电子辐照,将置于零电位点处的电位探头置于样品前表面3mm处,记录试样表面电位随时间的变化。在充电电位出现平衡趋势后,停止试验。试验装置见图2。2试验结果2.1h除气前后试样的质量变化125℃下4号样品的质量随除气时长的变化见表1。从表1可以看出,随着除气时间的增加,试样质量变化越来越小,24h与48h除气后试样的质量变化非常小。除气前和除气后的质量差为出气量,可近似认为48h后的出气量即为总出气量,其值为0.03192g。6h的出气量为0.02484g,占总出气量的77.8%,这与文献中星用非金属介质6h真空高温除气后出气量占总出气量80%的说法基本一致。12h的出气量为0.03156g,占总出气量的98.9%,可基本认为地面试验12h后材料出气基本完成。2.2表面充电电位试验分别测量了1号(不除气)、2号(加速除气6h)和3号(加速除气12h)样品表面充电电位随时间的变化,数据如图3所示。结果显示,在同样的辐照电流密度下,经过较长时间(6h以上)真空高温除气的样品,其表面充电平衡负电位比未作真空除气处理的样品至少高1500V,这表明样品的电荷泄漏能力随出气量的增加而下降,放电风险显著增加。2.3聚酰亚胺的电导率根据1.1.2节中的电导率测量方法,计算得到3种除气条件下聚酰亚胺样品的电导率见表2。结合表1和表2可以得到聚酰亚胺样品出气后电导率随总质量损失的变化,如图4所示。由图4可知,本次试验选用聚酰亚胺样品的电导率随出气量的增加而近似线性减小,在总质量损失达到0.5%时,电导率减小了约半个数量级。3聚酰亚胺的性质介质材料的电导率可以表示为σ=N·q·µ,其中N、q、µ分别为介质材料单位体积内的载流子数、载流子电荷和迁移率。初步分析认为,本试验选用的聚酰亚胺样品为热塑型聚酰亚胺,由于其加工工艺的原因,样品中残存着二甲基酰胺(DMF)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)等亲水型极性溶剂和一部分的水,这些极性溶剂残留物及聚酰亚胺中的羰基能够和水分子结合形成氢键,有利于载流子的流通。当真空出气后,聚酰亚胺材料内残留的极性溶剂和水被抽出,水分子与高分子内亲水基团及含有孤独电子的氮氧原子形成的氢键遭到破坏,因此降低了载流子的迁移率,导致宏观上材料的电导率减小。4种聚酰亚胺材料的稳定性问题