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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(duì)絕緣材料的要求和這三類材料的優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是耐原子氧的性能進(jìn)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(qiáng)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(duì)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(jī)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(jī)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(wú)論在燃燒時(shí)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(diǎn)是可燃，且燃燒時(shí)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(shí)會(huì)釋放出劇毒和強(qiáng)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(jià)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(guó)航空航天局(NASA)對(duì)現(xiàn)有的絕緣材料在空間環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間暴露實(shí)驗(yàn)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(duì)材料都有損害，其中以原子氧的侵蝕zui為嚴(yán)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(hù)下面材料不受進(jìn)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(zhǎng)時(shí)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(kuò)散到材料內(nèi)層，進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(hù)有關(guān)。FEP中c—c鍵能4．3eV，C—F鍵能高達(dá)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(hù)了主鏈。不然FEP暴露于原子氧環(huán)境中時(shí)，其侵蝕率應(yīng)該與聚乙烯接近，而實(shí)際上FEP遠(yuǎn)比聚乙烯的侵蝕率小，因此推測(cè)側(cè)基c—F鍵的斷裂是FEP受原子氧損害的主要機(jī)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(dòng)能4．5ev時(shí)，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(huì)被侵蝕掉；在zui大原子氧流時(shí)，Irma厚的Kapton。聚酰亞胺三年就會(huì)侵蝕完[15l。
由于聚酰亞胺受原子氧侵蝕較為嚴(yán)重，單獨(dú)用于空間環(huán)境時(shí)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(duì)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。可以防止原子氧的氧化。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(duì)原子氧的抵抗能力。表3給出了原子氧對(duì)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(diǎn)，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(jī)硅一聚酰亞胺共聚物，既具有無(wú)機(jī)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(qiáng)度，不僅克服了聚酰亞胺的脆性和難以加工的特點(diǎn)，也避免了有機(jī)硅強(qiáng)度低、易燃燒的缺點(diǎn)。該樹脂的介電常數(shù)為2．9(1kHz)，限氧指數(shù)達(dá)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)在很寬的溫度范圍內(nèi)能保持其機(jī)械性能，具有耐久性好、燃燒時(shí)發(fā)煙量小、便于安裝、有多種來(lái)源和一定的產(chǎn)量等特點(diǎn)，作為宇航電線已經(jīng)得到NASA的認(rèn)可