一种航天用大面积薄膜材料地面预处理装置与方法

本发明涉及一种航天用大面积薄膜材料地面预处理装置与方法，属于航天材料应用领域。

背景技术：

空间环境对航天材料的影响。在航天材料的实际应用过程中，真空环境、温度、紫外辐射、原子氧环境和空间碎片，对航天材料的性能存在不利影响。在这些空间环境效应中，真空、温度和紫外是航天用有机薄膜材料在轨一直存在的材料，也是薄膜材料在轨期间发生性能退化和出气，进而可能引起污染的主要来源(参考文献：沈自才,姜海富,徐坤博,等.航天材料空间环境损伤关联性研究.宇航材料工艺.2016,46(2)：1-8.)。

薄膜材料在航天上的应用。航天器上应用大量的薄膜材料和薄膜基材料。薄膜基材料在航天上的应用主要是各类柔性薄膜热控材料、绝缘薄膜材料，典型的如聚酰亚胺类柔性薄膜二次表面镜ito/kapton/al、聚全氟乙丙烯(fep)类柔性薄膜二次表面镜ito/f46/ag、柔性薄膜热控多层隔热材料，舱外电缆、太阳帆板、舱内结构板等的起绝缘作用的蒙皮材料等。柔性薄膜材料在航天上的应用包括太阳帆、太阳遮光罩、大面积展开天线、太阳聚光器和未来月球基地的展开式建筑等。由于聚酰亚胺薄膜具有良好的空间环境稳定性，因此，聚酰亚胺类柔性薄膜材料是航天领域应用最多的薄膜材料。(参考文献：沈自才.充气展开式结构在航天器中的应用,航天器环境工程,2008,25(4):323～329.)。

例如，哈勃太空望远镜(hst)将人类研究宇宙的能力提高了一个新的高度，但随着其在太空服役期限的增加，科学家们观察到用于望远镜表面绝缘层表面的teflonfep柔性薄膜二次表面镜出现了破裂，其拉伸强度、断裂伸长率等机械性能发生了变化(参考文献：joycead,kimkg,jacquelineat,etal.mechanicalpropertiesdegradationofteflonfepreturedfromthehubblespacetelescope[j].aiaa1998-0895.)。

例如，candrax射线望远镜污染。美国chandrax射线望远镜用先进ccd成像光谱仪在轨运行后发现，自1999年发射后，随着在轨周期的增加，其ccd镜头表面的分子污染物逐渐增加，造成光学成像质量逐渐下降。而ccd成像光谱仪的结构件温度在0度以下，ccd的上表面温度约为-60℃，下表面温度更低，最低处达到-120℃，镜筒材料为双面镀铝的聚酰亚胺薄膜。经分析，主要是由于真空、温度、辐照等空间环境引起有机分子污染物在较冷的光学材料表面沉积，进而引起光学器件的性能下降(参考文献：科技报告：o'dellstephenl.；swartzdouglasa.；ticeneilw.；etal.modelingcontaminationmigrationonthechandrax-rayobservatory-ii[r].m13-3029.2014，1-12.)。

分子污染及真空出气控制要求。航天材料尤其是航天器用有机材料，如大面积有机薄膜或薄膜基材料，其出气成分主要为分子污染。分子污染造成的主要效应是航天器光学表面、热控表面等敏感表面的性能退化，并进而导致多方面的后果。分子污染物沉积于热控材料表面，会影响其表面的发射率和吸收率，进而影响卫星热控系统的正常工作。对于光学表面，分子污染会使反射镜反射率或者透镜的透过率等光学性能降低，信号强度减小，信噪比下降，并会对工作在红外波段的光学器件产生影响。对于太阳电池，分子污染会减少其透过率，增加太阳电池板温度，使得太阳能电池输出功率下降。

为此，需要对污染物进行控制并对材料开展真空出气试验。一般要求薄膜材料的真空总质量损失小于1％，收集的可凝挥发物小于0.1％。但很多情况下，有机材料难以满足航天用材料的真空出气使用要求(参见标准：gb/t34517-2017航天器用非金属材料真空出气评价方法)。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种航天用薄膜材料的地面预处理装置与方法，可以实现对航天用大面积薄膜进行真空、温度及紫外辐照下的地面预处理，以确保薄膜材料在轨期间的出气减少，降低航天器的分子污染，提高航天器的在轨可靠性。

一方面，本发明提供了一种航天用大面积薄膜材料地面预处理装置，包括：

真空室；

位于真空室内部且用于收卷和展开薄膜材料的薄膜传动装置；

位于真空室内部且用于调控薄膜材料温度的温度控制装置；

位于薄膜传动装置上方的紫外辐照装置；

位于真空室内至少一侧的冷屏；

以及连接在真空室上的真空抽气装置。

在本发明人前期在开展航天材料真空出气研究过程中发现，由于有机薄膜材料本身含有很多吸附的水汽、表面吸附的有机小分子或可挥发的小分子。使得航天器在发射过程中或者在轨初期，由于进入真空环境，或者还有一定温度或紫外辐照的环境下，表面物理吸附或者化学吸附的水汽和有机小分子将会很快释放出来，使得有机薄膜材料难以满足航天用材料的真空出气使用要求。因此，本发明人创造性地提出采用地面预处理的方法提前对航天用有机材料进行预处理。为此，本发明人进一步涉及具有特定结构的一种航天用大面积薄膜材料地面预处理装置，使得有机薄膜材料在应用到航天器之前，完成地面预处理，进而满足真空总质量损失小于1％，收集的可凝挥发物小于0.1％的要求。

较佳的，所述所述薄膜传动装置包括：第一转轴和第二转轴。在本领域中，薄膜材料的组分一般是聚酰亚胺薄膜、聚氨酯薄膜、fep薄膜等。上述薄膜材料的厚度一般为5μm～75μm，其质地柔软，仅需两个转轴(第一转轴和第二转轴)就可以实现薄膜材料的循环往复。

较佳的，所述温度控制装置位于第一转轴和第二转轴之间且用于承载薄膜材料。

较佳的，所述紫外辐照装置为紫外光源。

较佳的，所述紫外光源位于真空室的内部；或者，所述紫外光源通过位于真空室上方的玻璃窗口中紫外玻璃实现辐照过程。较佳的，所述温度控制装置包括：加热装置和制冷装置。

另一方面，本发明提供了一种使用航天用大面积薄膜材料地面预处理装置对薄膜材料进行预处理的方法，将薄膜材料置于薄膜传动装置上，启动航天用大面积薄膜材料地面预处理装置，分别进行真空环境地面预处理、温度环境地面预处理和紫外辐照地面预处理；在预处理过程中，保持冷屏的温度在-35℃以下，以使得释放的分子污染能够吸附在冷屏上，在控制分子污染物的同时，也起到快速降低真空的作用，并控制薄膜材料传动装置实现薄膜材料的循环往复传动，使得薄膜中物理吸附和化学吸附的水汽及分子污染物能够便捷快速的释放出来。优选地，薄膜材料的速度＜0.01m/s，其速率的效果是能够使得薄膜中的物理或化学吸附水汽和分子污染能够得到充分释放。优选地，所述薄膜材料为聚酰亚胺薄膜、聚氨酯薄膜、或fep薄膜；更优选地，所述薄膜材料的厚度为5～75μm。

较佳的，所述真空环境地面预处理的参数包括：真空度＜0.1pa，处理时间≥24小时，在该步骤的作用是使得薄膜中的物理或化学吸附水汽和分子污染能够得到充分释放，真空度越低，吸附的水汽和分子污染物越容易释放，时间越久，释放的越充分。

较佳的，所述温度环境地面预处理为温度交变预处理，包括：先在≥80℃下保持1～2小时，再于≤-50℃下保持1～2小时作为一个循环；循环次数至少为1次。

较佳的，在进行紫外辐照地面预处理时，控制紫外辐照周期≥1000等效太阳小时。由于随着紫外辐照剂量的增加，航天材料尤其是薄膜材料的出气将逐渐减少，达到1000等效太阳小时后，薄膜材料的快速出气基本释放完毕，后续将非常缓慢，薄膜材料的结构也基本稳定下来。

有益效果：

本公开中，利用该装置可以实现对航天用薄膜材料的地面预处理，通过在真空、极端温度交变处理以及紫外辐照预处理，可以实现薄膜材料中的物理吸附和化学吸附分子污染物快速释放出来，进而提高航天用薄膜材料在轨稳定性，降低航天用薄膜材料的分子污染。

附图说明

图1为本发明中航天用薄膜材料地面预处理装置的主视图，其中，1真空室，2紫外光源，3玻璃窗口，4薄膜材料，5转轴1，6转轴2，7加热装置，8制冷装置，9冷屏，10真空抽气系统；

图2为航天用薄膜材料地面预处理的流程图。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在本公开中，航天用薄膜材料地面预处理装置的结构包括：真空室1、紫外光源2、玻璃窗口3，薄膜传动装置(转轴5和转轴6)、温度控制装置(例如，加热装置7、制冷装置8)、冷屏9，真空抽气装置10。

其中，真空室应1采用无放气或低放气材料(如不锈钢等)制造。紫外光源2可采用汞灯、汞氙灯或氙灯。玻璃窗口3应采用对紫外玻璃。薄膜传动装置的第一转轴5和第二转轴6优选采用真空转轴且无放气污染。加热装置7可采用电阻丝、加热膜或者浴油装置，可达到的温度应该不低于100℃。制冷装置8和冷屏9可采用通入液氮制冷。抽气真空系统(或称抽真空装置)10优选采用无油真空系统，去报真空度应低于0.1pa。此外，第一转轴5和第二转轴6的长度可根据薄膜材料的宽度进行调节。

将航天用薄膜材料放入航天用薄膜材料地面预处理装置中。薄膜材料的两端分别固定在第一转轴5和第二转轴6上，当地面预处理开始后，将一端作为开始端(假设为转轴5)，另一转轴作为末端(假设为第二转轴6)，启动开始第一转轴5直到规定长度的薄膜材料均卷到第一转轴5上，然后调节旋转方向，再直到规定长度的薄膜材料均卷到第二转轴6上，如此，来回循环。在可选的实施方式中，将航天用薄膜材料放入真空室中，并将薄膜材料安装在第一转轴5和第二转轴6上，并确保第一转轴5和第二转轴6运转良好，此时转速应较低(比如小于0.01m/s)，且在转第一轴5和第二转轴6之间的薄膜材料样品应该与温度控制装置中加热装置7接触良好。

抽真空，启动冷屏。具体来说，启动真空系统，当真空度低于20pa时，可以开启冷屏，冷屏温度一般应低于-50℃，可采用液氮作为制冷剂。

对航天器舱内等只考虑真空环境出气的航天材料，开展真空环境地面预处理(或称真空出气预处理)。当真空度低于0.1pa时，仍保持第一转轴5和第二转轴6的循环往复转动，对薄膜材料样品开始真空预处理，真空预处理时间不小于24小时。当航天器进入真空环境之后，随着真空度的增加，将会有气体从材料表面或内部释放出来，引起真空出气效应。气体释放的来源主要包括材料表面吸附的气体在真空环境下从表面脱附、溶解于材料内部的气体向真空边界扩散并解吸附、不同压力差界面的渗透气体通过固体材料释放等。航天材料在真空下出气，会改变材料的操作性能，引起材料的额尺寸稳定性和润滑等问题；出气产生的气云从高温处转移到低温处并凝结，造成低温表面污染效应，可改变其热旋光性能、辐射性能和电学性能，引起严重的温度环境效应和辐射环境效应，造成热学与电学问题，改变温控涂层的性能、减少太阳能电池的光吸收率以及增加电气组件的接触电阻等；气云还可对科学探测卫星的观测造成干扰，严重的污染会降低观察窗和光学镜头的透明度；气云引起的电晕可造成弧光放电，引起太阳帆板电池阵等产生电学问题。因此，通过对薄膜材料进行地面真空预处理，可以让薄膜材料物理吸附或化学吸附的水汽、有机小分子、未成键的一些大分子以出气的形式提前释放出来，当其再用到航天器上的时候，其释放的有机分子污染物将大大减少，进而降低分子污染的数量。

对需要考虑真空和温度影响的航天材料，需开展温度环境地面预处理(或称极端温度及温度交变预处理)。具体来说，保持真空度不变，根据在轨温度使用环境，利用温度控制装置开展温度或温度交变预处理。当开展高温预处理时，温度一般不低于80℃，可采用125℃，一般保持1-2小时。当开展低温地面预处理时，温度一般低于-50℃，如可采用-80℃，一般保持1-2小时。当开展温度交变预处理时，可分别开展高温预处理一个循环，然后再低温预处理各一个循环，交替进行，高低温交变预处理的总时间一般为24小时。特殊规定除外。空间温度及高低温的交变环境可引起航天材料发生分子降解、疲劳损伤、出气污染等，造成材料的可操作性能、电学性能、力学性能和光学性能等发生变化。航天材料必须经受在轨高低温循环、温度冲击等严酷温度环境。本专利中的温度是模拟航天器在轨的温度效应，使得薄膜材料中的分子污染物和物理及化学吸附水汽等提前释放，降低航天器的在轨分子污染物的释放数量。

对除真空和温度环境之外，还面临紫外辐射环境的航天材料，需进一步开展紫外辐照地面预处理。保持真空度较低状态下，保持某一特定温度(如50℃)，打开紫外灯，保持转动转轴，让紫外灯均匀辐照到薄膜材料上，紫外辐照周期一般不小于1000等效太阳小时。例如太空中紫外辐照密度为118w/m²。此时，紫外灯光的密度可为太空中辐照密度的10～100倍，以减少辐照时间。太阳电磁辐射中的紫外辐射，由于其具有较高的频率，较短的波长，因此其对高分子材料具有重要的影响。通常，绝缘材料均由高分子材料组成，在长期的紫外辐射作用下，高分子材料将变脆变硬，甚至开裂，这将对绝缘及密封材料带来致命威胁。能量较高的紫外光将引起高分子材料的价键断裂，从而释放出大量的分子污染，这些分子污染凝结在光学材料表面，将引起其透射率降低，从而影响其在轨性能。因此，通过在地面的真空环境下来模拟航天器在轨的真空环境，利用地面的紫外辐照模拟太空的紫外辐射，使薄膜材料中部分化学吸附的小分子提前释放，是薄膜材料的结构处于相对更加稳定的状态，降低薄膜材料在轨时由于紫外辐射引起的分子污染的释放数量。

本公开中，只利用航天用薄膜材料地面预处理装置可以进行三种方式的预处理，包括：1)对只有真空环境，没有极端温度、温度交变和紫外辐照的航天器材料，只需要开展真空预处理，比如航天器舱内材料；2)对航天器舱外材料，只有真空环境和极端温度环境，没有紫外辐照的情况，只开展真空预处理和极端温度或温度交变预处理，3)对经历真空、极端温度及温度交变以及紫外辐照的航天器材料，则开展三种环境预处理。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

(1)根据gb/t34517-2017《航天器用非金属材料真空出气评价方法》，取聚酰亚胺薄膜材料开展真空出气质量损失试验，试验温度为125℃，真空度＜10^-2pa，保持时间为24h。试验完毕，用分析天平，测其质量损失率；

(2)先将聚酰亚胺薄膜材料开展真空预处理，真空度＜10^-2pa，温度为25℃，保持时间为24h。然后再根据gb/t34517-2017《航天器用非金属材料真空出气评价方法》开展真空出气质损试验，试验温度为125℃，真空度＜10^-2pa，保持时间为24h。试验完毕，用分析天平，测其质量损失率；

(3)将步骤(2)所得聚酰亚胺薄膜材料开展高低温循环试验，其参数包括：先在100℃下保持1小时，再于-100℃下保持1小时作为一个循环；循环次数为12次或者总时间不小于24小时。然后再根据gb/t34517-2017《航天器用非金属材料真空出气评价方法》开展真空出气质损试验，试验温度为125℃，真空度＜10^-2pa，保持时间为24h。试验完毕，用分析天平，测其质量损失率；

(4)将步骤(3)所得聚酰亚胺薄膜材料进行紫外辐照地面预处理，其参数包括：紫外灯光的密度一般为为354w/m²～590w/m²，辐照1000等效太阳小时(这里，空间太阳光紫外辐射能量为118w/m²，地面紫外灯密度为118w/m²时与空间太阳紫外辐照1小时等效太阳小时)。

性能测试：经分析天平测试，步骤(1)中薄膜材料样品的质量损失率为1.26％，不满足材料的质量损失率小于1％的要求。步骤(2)中薄膜材料样品的质量损失率为0.83％，满足材料的质量损失率小于1％的要求。步骤(3)中薄膜材料样品的质量损失率为0.68％，满足材料的质量损失率小于1％的要求。步骤(4)中薄膜材料样品的质量损失率为0.47％，满足材料的质量损失率小于1％的要求。

对比例1

直接将聚酰亚胺薄膜材料进行温度环境地面预处理，其参数包括：真空度＜10^-2pa，先在100℃下保持1小时，再于-100℃下保持1小时作为一个循环；循环次数为12次。试验完毕，用分析天平，测其质量损失率。本对比例1所得薄膜材料样品的质量损失率为0.72％，满足材料的质量损失率小于1％的要求。