ISO 14624-32023 航天系统材料的安全性和兼容性第3部分材料和组装物品中废气化合物的测定标准立项发展报告

ISO14624-3:2023《航天系统材料的安全性和兼容性第3部分：材料和组装物品中废气化合物的测定》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Spacesystems—Safetyandcompatibilityofmaterials—Part3:Determinationofoff-gassedcompoundsfrommaterialsandassembledarticles摘要随着航天技术的飞速发展，航天器在轨运行环境日益复杂，材料在真空环境下的释气行为对航天器性能和寿命的影响已成为国际航天领域的关键技术问题。释气化合物（off-gassedcompounds）不仅可能导致光学系统污染、热控性能退化，还可能对敏感载荷和宇航员健康构成直接威胁。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2023年10月10日正式发布了ISO14624-3:2023《航天系统材料的安全性和兼容性第3部分：材料和组装物品中废气化合物的测定》，该标准为航天材料的释气特性测试提供了统一、规范的试验方法和评价依据。本报告系统梳理了该标准的立项背景、制定历程、核心技术内容和应用价值，重点对其测试原理、试验程序和质量控制要求进行了详细阐述，并介绍了主要参与制定单位——美国国家航空航天局（NASA）在该标准制定过程中的技术贡献。报告认为，该标准的发布实施将有效促进航天材料筛选与评价工作的规范化和国际化，对于保障航天器长期在轨可靠运行具有重要的工程实践意义，同时也为我国航天材料标准化工作与国际接轨提供了重要参考。关键词：航天系统；材料安全性；释气测试；废气化合物；标准化；ISO14624-3Keywords:Spacesystems;Materialsafety;Off-gassingtest;Off-gassedcompounds;Standardization;ISO14624-31引言1.1研究背景航天器在轨运行期间长期处于真空、辐照、温度交变等极端环境条件下，其内部使用的高分子材料、复合材料、粘合剂、润滑剂等不可避免地会发生释气（outgassing）现象。释气是指在真空环境下，材料中吸附的水分、溶剂残留以及低分子量组分在热力学驱动下从材料内部向表面逸出并最终释放到周围空间的过程。释气产物在真空环境中会在周围冷表面上凝结沉积，进而引发一系列严重问题：光学镜面和传感器窗口的污染导致信号衰减和成像质量下降；热控涂层表面性能改变导致航天器温度控制失衡；太阳能电池板透光率降低导致发电效率衰减；敏感电子器件表面沉积导致绝缘性能退化甚至短路。此外，释气产物中的有毒有害化合物还会对载人航天器密闭舱室内的宇航员健康造成潜在危害。因此，在航天材料的筛选、验收和飞行前的质量评估中，释气特性的检测与评价是一项必不可少的技术指标。1.2标准修订的必要性ISO14624系列标准是国际航天领域关于材料安全性和兼容性测试的权威标准体系。其中，ISO14624-3规范了材料和组装物品中废气化合物的测定方法。随着新型航天材料的不断涌现和检测分析技术的持续进步，原有的标准版本已不能满足当前航天工程对检测精度、灵敏度和可操作性的要求。此外，世界各国航天机构对材料释气评价指标和判定准则的差异化要求，也在客观上需要更加统一和明确的国际标准。因此，国际标准化组织航天系统分技术委员会（ISO/TC20/SC14）组织相关成员国专家，对该项标准进行了系统性的修订和发布，旨在为全球航天工业界提供一套科学、合理且具有可操作性的废气化合物测定方法。2标准概述2.1标准基本信息ISO14624-3:2023《航天系统材料的安全性和兼容性第3部分：材料和组装物品中废气化合物的测定》由国际标准化组织（ISO）发布。该标准隶属于ISO14624系列标准框架之下，该系列标准旨在系统性地规范航天用材料的安全性和兼容性测试方法，覆盖材料的可燃性、释气特性、微生物污染等多种评价维度。本部分（第3部分）聚焦于材料和组装物品中释放的废气化合物的测定，属于材料释气特性评价的核心技术标准之一。标准分类号为航天系统和操作装置，发布日期为2023年10月10日。目前该标准状态为现行有效。2.2适用范围该标准适用于航天器用各类非金属材料，包括但不限于聚合物、弹性体、复合材料、粘合剂、密封剂、润滑剂、涂料、绝缘材料等，以及由这些材料构成的组装物品。标准规定的测试方法可以实现对材料在真空和受热条件下释放的挥发性化合物的定性和定量分析。值得注意的是，该标准不仅适用于材料筛选和质量控制场景，也适用于航天器整机或分系统在装配完成后释气产物的污染评估，为航天任务的材料选用和污染控制提供技术依据。3标准主要技术内容3.1测试原理ISO14624-3:2023规定的测试方法基于以下基本原理：将已知质量的试样置于真空环境中，在规定的温度条件下保持一定时间，使材料中的挥发性组分在真空中释放。释出的挥发性物质被收集装置捕获后，采用适当分析手段进行定性和定量分析。具体而言，标准规定的试验条件要求真空度通常不低于1.3×10⁻³Pa（1×10⁻⁵Torr），测试温度范围一般在25℃至125℃之间，具体温度取决于材料的使用工况和航天任务需求。试验持续时间一般为24小时，但可根据材料的释气特性和评价目标进行调整。3.2试验装置与仪器标准对试验装置提出了明确的技术要求。试验系统主要由真空室、恒温加热系统、收集冷阱、真空泵组和分析仪器等部分组成。真空室应保证足够的容积和真空度稳定性；加热系统应能够精确控制试样温度，温度偏差不超过±1℃；收集系统通常采用液氮冷却冷阱（温度可达-196℃），确保释气产物能够被有效捕集。在分析仪器方面，标准推荐采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）作为主要分析手段，利用质谱数据库对分离后的化合物进行结构鉴定。对于特定目标化合物，也可采用气相色谱-氢火焰离子化检测器（GC-FID）或气相色谱-傅里叶变换红外光谱联用（GC-FTIR）等方法。标准还允许使用高效液相色谱（HPLC）或其他等效分析方法，但需经过方法验证。3.3试验程序标准规定的试验程序包含以下关键步骤：（1）试样制备：试样应具有代表性，尺寸满足试验要求，表面状态符合材料实际使用状态。对于组装物品，应按照实际装配状态进行取样。每个试样至少取三个平行样品以保证测量结果的重复性。（2）试样预处理：试样在规定条件下进行状态调节，以消除环境吸附水分和挥发性污染物的干扰。预处理条件一般为温度23℃±2℃、相对湿度50%±5%的环境中放置至少24小时。（3）释气试验：将预处理后的试样放入真空室，抽真空至规定真空度后，以不超过2℃/min的速率升温至设定试验温度，恒温保持规定时间。（4）产物收集与分析：释气产物在冷阱中被冷凝收集。试验结束后，用适量溶剂（如色谱纯二氯甲烷、甲醇或丙酮）洗脱冷阱中的收集产物，洗脱液经浓缩定容后进行仪器分析。（5）定性定量分析：根据色谱保留时间和质谱谱图对化合物进行定性鉴定，采用外标法或内标法定量。（6）结果计算与报告：计算总释气量（TML）、收集到的挥发性冷凝物含量（CVCM）以及水蒸气回收量（WVR），并对识别出的主要释气化合物进行归类汇总。3.4性能评价指标标准规定了几项关键评价指标，作为衡量材料释气特性的统一参数：-总质量损失（TotalMassLoss,TML）：试样在真空和加热条件下损失的质量占原始质量的百分比，反映材料在真空环境中释气的总体程度。-收集到的挥发性冷凝物（CollectedVolatileCondensableMaterials,CVCM）：释气产物中能在规定温度表面上冷凝沉积的质量占原始试样质量的百分比，反映材料释气产物污染敏感表面的潜力。-水蒸气回收量（WaterVaporRecovered,WVR）：释气产物中可凝结水分的含量，用于区分释气中水分和其他有机化合物的贡献。这些指标与航天工业广泛引用的ASTME595标准在概念上保持一致，便于航天工程师对不同来源的材料数据进行横向比较。4主要参与制定单位介绍ISO14624-3:2023由国际标准化组织航天系统分技术委员会（ISO/TC20/SC14）归口管理，吸引了多个成员国航天机构和研究单位的积极参与。在该标准的制定过程中，美国国家航空航天局（NASA）作为核心技术贡献单位，发挥了关键的引领和推动作用。美国国家航空航天局（NASA）NASA成立于1958年，是美国联邦政府负责航天科学研究和航空航天技术开发的专门机构，总部位于华盛顿特区。作为全球最具影响力的航天机构之一，NASA在航天材料科学研究领域积累了数十年的工程经验和大量飞行验证数据。在材料释气研究方面，NASA是国际上该领域最早开展系统研究的机构之一。早在20世纪60年代，NASA就针对航天器光学系统污染问题启动了材料释气特性的专项研究计划。NASA马歇尔航天飞行中心（MarshallSpaceFlightCenter）建立了当时全球最先进的材料释气测试实验室，开发了标准化测试程序和测试设备，为后续国际标准的制定奠定了坚实的技术基础。NASA戈达德航天飞行中心（GoddardSpaceFlightCenter）则在航天器污染工程领域提出了著名的“污染敏感度等级”概念，该概念已被广泛应用于航天器设计阶段的材料筛选工作。在ISO14624-3:2023的修订过程中，NASA专家团队主导了标准中多项关键技术内容的编制，包括：提出了改进的冷阱收集效率和回收率验证方法；基于NASA材料数据库中的万余条释气测试数据，优化了试样尺寸、温度程控和试验时间等关键参数的设定建议；参与了分析方法和数据处理的技术讨论。此外，NASA还贡献了其在载人航天领域所积累的舱内空气质量评价经验，使该标准不仅适用于常规航天器的材料评价，也能为载人航天器的适居性评估提供技术支持。5标准的应用价值与意义5.1国际层面ISO14624-3:2023的发布为全球航天工业界提供了一套统一的废气化合物测定方法，消除了因测试条件和方法差异导致的评价结果不可比问题。该标准对于国际航天合作中材料信息共享和数据互认具有关键意义。例如，在国际空间站、深空探测等大型国际合作项目中，各参与方采用统一的材料释气测试标准，可以显著减少重复测试成本，提高项目执行效率。5.2国内层面对我国而言，该标准为航天材料释气测试的标准化工作提供了重要的国际参照。通过采用该标准，有助于我国航天工业界在国际项目合作中实现检测数据和评价指标的直接对接，提升我国航天材料测试数据的国际认可度和可比性。同时，该标准也为我国自主航天材料标准体系的建设提供了重要的技术参考。5.3工程实践价值从工程实践角度来看，该标准的应用可为航天器研制过程中的材料选择提供科学依据，有助于从源头上控制航天器污染风险。在航天器设计阶段，通过标准化的释气测试，可识别并淘汰释气率高的材料；在发射前的质量验收阶段，可通过标准化的测试手段进行产品一致性验证；在故障归零和分析中，该标准提供的测试方法可以用于与污染相关的异常现象的诊断，为航天器长期可靠在轨运行提供重要保障。6结论与展望ISO14624-3:2023作为航天系统材料释气特性测试领域的国际权威标准，为材料和组装物品中废气化合物的测定提供了科学、准确、可操作的技术方法和评价依据。该标准的发布标志着航天材料释气测试技术在国际范围内的进一步统一和规范化，对保障航天器的安全运行、延长在轨使用寿命以及保护宇航员健康具有重要意义。从技术发展角度来看，当前释气测试技术正朝着更高灵敏度、更快速分析、在线监测等方向持续演进。未来标准的修订可能需要纳入更多新型分析技术，如热脱附-气相色谱-质谱联用、实时直接分析质谱（DART-MS）等。同时，随着商业航天和小卫星技术的蓬勃发展，对低成本、快速化释气筛选方法的需求也在增加，这也可能成为未来标准修订的重要方向。对于我国而言，建议国内相关标准化技术组织和航天科研机构密切关注ISO14624-3:2023的技术内容，积极推进该标准在我国的转化采用工作。同时，结合我国航天工程的实际需求，开展释气测试方法的本土化验证与优化研究，完善我国航天材料释气测试标准体系，为航天强国建设提供坚实的标准化技术支撑。参考文献[1]ISO14624-3:2023,Spacesystems—Safetyandcompatibilityofmaterials—Part3:Determinationofoff-gassedcompoundsfrommaterialsandassembledarticles[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2023.[2]ASTME595-07,StandardTestMethodforTotalMassLossandCollectedVolatileCondensableMaterialsfromOutgassinginaVacuumEnvironment[S].WestConshohocken:ASTMInternational,2007.[3]达道