航天器抗内带电介质改性方法
来源：材料保护
【在线投稿】
栏目：期刊导读 时间：2021-03-13
49航天器抗内带电介质改性方法乌江白婧婧沈宾郑晓泉(西安交通大学电力设备电气绝缘同家重点实验室，两安)摘要为了削弱航天器有机介质内带电水平从而提高航天器运行的可靠性，分析了空间介质接地方式与电导特性对材料带电水平的影响，认为可采用非线性电导改性的方法来削弱聚合物材料的带电程度，并对几种典型的航天器聚合物介质进行了改性试验研究，获得了预想的非线性电导特性，认为对介质进行非线性改性可能成为未来对介质材料进行全防护的有效手段之一。关键词空间介质接地方式电导分析材料保护可靠性航天器1引言在轨航天器面对宇宙射线、太阳高能粒子以及绕地轨道上温度的快速转换，内部介质材料会产生致命的影响，尤其是在近地辐射带中能量约为0．1～10MeV的高能电子，可以穿透航天器的外壳达到内部电路板并在介质中沉积。内带电在介质中形成的静电场容易在介质内部引发严重影响航天器敏感电子系统安全的脉冲放电，严重时还会引发导致聚合物介质烧毁的电弧或直接导致介质击穿，严重威胁航天器的运行可靠性与寿命。随着高电压、大功率太阳能电源系统在卫星上的应用，介质内带电引发的卫星故障正呈上升之势u“，介质内带电问题已成为解决航天器可靠性与寿命稳定性与长寿性的瓶颈问题。2航天器介质内电场形成机理分析由于高能电子的能量差异，静电荷在介质内部沉积的深度不同。高能电子的持续注入会导致介质内电荷不断积累。介质的接地方式与其自身的电导特性会在介质内部产生一定大小的泄漏电流，使部分沉积的电荷被泄漏，直接影响材料内建静电场的强弱。当电荷沉积的速率与泄漏的速率达到平衡时，介质内局部电场达到最大值(E…)。常用的航天器介质如聚四氟乙烯、聚酰亚胺和环氧树脂都具有较大的电阻率。在较强高能电子束束流注人的情况下，如果电子束的束流大于泄漏电流就会导致静电场持续上升，当内电场E…超过介质的击穿强度E。就必然导致介质击穿或引发电弧。目前，对于介质内电场的计算有较多的方法，主要是以计算机辅助计算。在计算内电场时主要考虑高能电子的能谱、环境温度以及介质电导率这几个因素影响。欧洲空间局(ESA)在计算内电场时使用了介质深层带电分析软件DICTAT，而这需要建立了高能电子的沉积分布模型与新的电导模型‘·“。国家自然科学基金()收稿日期：2009—06—15。收修改稿日期：2009—08一1950中国空间科学技术介质的电导率是影响介质内电场分布的重要因素之一。较早的研究认为电导率是一个常数，必然导致分析结果与实验数据有较大的差异。根据实验结果，ESA提出的介质电导模型，认为在辐射条件下，介质电导率由两部分组成，即[5。】盯一盯(E，T)+d(D)(1)式中右边第一项表示介质本征电导率，主要受电场E与温度丁的影响，且在低电场下基本为常数。第二项表示介质内部的辐射诱导电导率(RIC)，其数值主要受辐射剂量率D影响。通过经验曲线与蒙特卡罗法两个模型以及相关软件便可以计算分析得到介质内电场分布。根据经验公式可得到任意时刻介质内电场的大小…。E一』(1一exp--t)(2) d r式中时间常数r一三；e为介电常数；，为电子束流密度。当时间t达到几倍于时间常数r时，介D质内电场趋于平衡，此时介质内电场达到最大值E。。。： rE…一土(3)盯由式(3)知，介质内电场最大值主要取决于两个因素，即注入电子束流和介质电导率。3航天器介质中内带电水平的抑制方法除外界辐射条件和屏蔽措施外，航天器介质内静电场大小主要受接地条件和材料自身电导特性的影响。3．1航天器介质接地方式对带电程度的影响航天器外屏蔽壳对于空问环境中能量较小的电子有良好的阻挡作用。但是对于能量为0．1～10MeV的高能电子，由于其能量较高，可以穿透航天器外壳、进入并最终在内部介质材料中沉积。高能电子的最大射程R与其能量E。的关系为o6】R—o．ssE。(卜糍)㈤对于能到达航天器内部介质材料的高能电子，其能谱分布对介质内沉积电荷沿注入方向的深度也有影响，能量越大，注入深度越大。但能量更高的电子可以穿透板状介质(如电路板)，此时，虽然电子不会在电路板中沉积，但却会导致较大的辐射诱导电导率，反而有利于已注入电荷的泄放，当然也会导致有机介质材料的辐射损伤。随着最终沉积在介质中电荷的增加，导致介质内电场强度不断升高。适当的接地措施可以有效的削弱航天器介质在辐射条件下的内电场强度。航天器内平板介质的接地方法一般有三种接地方式，即平板介质背面接地、正面接地以及两侧接地。对于平板介质背面接地，介质内靠近背面(z—d)处的电荷会流入接地极而产生一定大小的电流，此电流与介质的电导率有关。而在介质的正面(z一0)处由于离接地极较远，电荷无法移动而不存在电流，电场强度也为零。在介质中当内电场稳定后电流达到平衡，总电流密度j．。。，变为常数，有如下公式口_9]：Jtote r一面(z)+扭(z)(5)式中西(z)代表,22处的电子通量，E(z)代表T处的电场强度；e表示电子电量。因此，辐射条件下总的电流被认为是由电子通量所引起的电流与电场所引起的欧姆电流共同构成的。因为在z一0处，即介质正面无电场，则内部的电流全由式(5)右边第一项构成，但是由于电子的通量垂(z)随着5(2的增加而衰减，则第一项变大而第二项就变小，假设介质内电导率为常数，则电场强度会随着z!!!!至!旦士垦窒型型兰垫查 i!正方向单调减小，所以在介质板的背面，电场出现最大值且为负，而电位为零。利用以上分析方法可得，对于平板介质正面接地，其正面电场强度达到最大值，而背面处电场为零值。对于两侧接地的情况，则正面与背面处电场强度均不为零，且方向相反。图1中为不同接地方式下介质内电场达到平衡时的分布情况，以高能电子的入射方向，即上述 z方向为正方向。试验所使用的介质为0．3cm厚的环氧树脂平板介质，采用外辐射带高能电子能谱GEODUR的辐射方式，大约1h后介质内部电场达到平衡”』。由图1可得，在航天器介质板接地方式中，选用正面接地的方式可以使得介质内的电场最优化。但同时需要考虑的问题是，当正面接地后由于介质内部电场的作用，使得介质背面处电位升高。在航天器介质所处的真空环境下，如果背面电位较高且与其他导体距离较近，可能会导致间隙放电现象，这对航天器是非常危险的。因此为了防止这样的现象发生，比较可靠的一种措施是采用两侧接地的方式。虽然两侧接地会导致介质板两面均产生一定大小的电场，但是两侧电位均为零。但并非所有的介质都允许以这种方式接地，理想的方法是介质本身就具有自动┏━━━━━━━━━━━━━━━┓┃_”端≮苌誓：ij_～、。乏．…┃┣━━━━━━━━━━━━━━━┫┃＼两面乏“。。＼．┃┃一＼’1、一“”、、．┃┃)正面人韶一┃┃背面接地(E／10)┃┗━━━━━━━━━━━━━━━┛释放静电荷的能力，即具有非线性的压敏电导特性。深臌／cm图1不同接地方式时介质内电场分布3．2在辐射环境下介质电导改性对内带电程度的影响在研究中发现，另一种能抑制介质内静电场E。。的方法是从介质自身的电导特性m发。以图2航天器介质板背面接地为例，将介质板背面(z—d)与航天器公共参考点连接。ABC三条曲线分别代表电导率不同的航天器介质的电场分布情况。由图可知，当介质电导率较大时，根据式(3)，航天器介质内最终的平衡电场E…必然下降。但在实用中，提升介质的本征电导率，对于电路板或其他用于电力、电子绝缘的介质并无实用意义，因为这会增加电能损耗。但这种有关电导率对介质内静电场影响的分析却给我们提供了一个思想方法，基于这种思想方法，我们提出了对航天器聚合物介质进行非线性电导改性的介质抗带电防护方案，并在实验研究中获得了重大进展。图2不同电导率介质背面接地时的电场分布通过文献及我们的研究工作证实，介质在空间环境下的电导率盯应由三部分组成【l…，即口t。t。I一口。+盯，4-d￡(6)式中盯。为介质暗(本征)电导率；d，表示辐射诱导电导率；仃。表示强场电导率。式(6)右边前两项与ESA关于航天器介质电导率参数的模型(即式(1))是一致的。在ESA的模型中不包含式(6)中的第三项强场电导率，这是因为当航天器介质处于较强高能电子辐射环境下时，其辐射诱导电导率要比暗电导率高几个数量级。而强场电导率是在航天器介质内电场接近其击穿场强时才会明显升高，因i；主国窒!旦型兰垫查!!!!生!旦此ESA的模型中忽略了这因素。下面分别讨论：(1)本征电导率聚合物固体介质的本征电导率主要由杂质离子和电子电导构成，由于其禁带很宽，而禁带上部为导电粒子极为稀疏的空带，因此其本征电导率非常小。(2)辐射诱导电导率当高能射线(高能电子或)，射线)注入到介质体内，会使原子受到激发而电离，使电子从价带跃迁到能量较高的导带。产生电子一空穴对，其数量会大大超过本征载流子的数量，因而会使电导率产生比本征电导率上升几个数量级的显著变化，此时的电导率就称之为辐射诱导电导率(RIC)。1㈠2l。当脱离辐射一段时间后，RIC会逐渐消失，称之为延迟电导率。由于RIC的产生与消失对介质内静电场的积累具有至关重要的作用，因而一直是航天界的研究热点之一。介质内的RIC计算公式如下I“：盯一志。D4(7)式cflD代表辐射剂量率；h。与△是与介质材料相关的参数。式(7)表明，随着辐射剂量率D的增加，介质的电导率也会有所上升，进一步抑制了静电场的积累，使其稳定在一个较低的水平。(3)强场电导率强场电导率是指当介质承受的电场强度上升到一定程度后，流经介质的电流随电场强度迅速上升的一种情况。由于此时的电导率呈非线性上升状态，因此，确切的表示应为强场电导率特性。强场电导出现的原因是介质电荷陷阱中的电荷被电场能量“强行”拉出到导带参与导电，并伴有分子电离导致导电离子急剧增加而出现的一种现象。由于强场电导一般出现于介质击穿的前夕，对应的电场强度较高，具有贯穿性高电导通道，会产生热效应，因此无法控制，一般用于电力、电子绝缘介质的设计工作场强远低于击穿场强。在航天器介质材料研究中一般并不涉及。(4)非线性电导率我们在研究空间介质材料抗带电防护技术中发现，通过材料改性的方法，可以使介质在大于工作场强、而远低于击穿场强下，主要由静电荷积累电场激发介质产生几乎与辐射诱导电导率相同数量级的所谓“非线性电导率”，而且复合介质的击穿强度基本不产牛变化。由于这种非线性特性既满足了我们希望介质在正常情况下具有高绝缘特性，而在带电到一定程度时又能以暂态高电导的形式释放掉危险电荷，因此有理由认为，这种非线性电导特性的介质结构极有可能成为解决空间介质带电防护的一种较佳的主动防护方案【”j，而拥有这种压敏非线性电导率的介质材料的总电导率就可以用式(6)描述。我们针对航天器常用的典型介质材料聚酰亚胺(PI)以及环氧树脂均进行了这种非线性电导率改性的尝一试，具体方法是向聚合物介质中添j加压敏金属氧化物粉料，性能试验￡获得了令人满意的结果。≮通过实验得到添加剂含量对聚嚣酰亚胺聚合物非线性电导特性的影孽响程度，如图3所示。当添加剂含量低于5％时，复合材料的电导率略有下降；而当添加剂含量分数大于5％时，复合材料的非线性电导特性非常明显，m现了较为陡峭的E_j曲电场强度E／(kV／mm)图3添加剂含量不同的聚酰亚胺Pj曲线∞舳加∞如∞∞加mO；!!!笙!旦生国窒!塑型堂堇查!i线。同时还发现，当添加剂含量不同时，介质非线性电导特性出现的阈值电场也有所不同。下一步的目标是研究筛选最合适的添加剂成分、配方，以及最优化的成分比例，保证介质能在模拟真空电子束辐射环境以非脉冲放电形式释放掉危险静电荷，是进一步研究的重点内容。图4为三组不同含量的添加剂对环氧树脂非线性电导特性的影响。对于环氧树脂，添加剂的含量对于非线性电导特性出现的阈值电场￡ j__}i现并无太大影响，但是对于E-j曲线的曲率弋，。有较大影响，即随着添加剂含量的增大，复合苫材料的非线性电导特性程度越强烈。≥，。综合以上试验分析，我们认为，复合介质丽非线性电导产生的原因有三：一是金属氧化物茹10粉料向无定形聚合物介质中引入了有利于形成电子跳跃电导的晶相结构，而这种电导只有在0．04结束语介质内静电场最大值与介质接地方式和介质的电导特性密切相关。适当的屏蔽和对有机介质材料进行电导率改性是降低介质内静电场强度最大值的两种解决方案。其中对聚合物介质进行非线性电导特性改性有可能成为彻底解决介质内带电问题的最佳方案。对典型航天器介质聚酰亚胺和环氧树脂的非线性电导改性获得了令人满意的结果。实验结果显示，添加剂的适宜添加量不仅可以改变复合材料产生非线性电导特性的阈值电场，而且可以改变非线性电导特性的陡度。下一步的研究是结合电场计算和在模拟真空高能电子束辐照环境下对复合材料的抗内带电效果进行验证，选择能达到最终消除介质因内带电导致的危险脉冲放电的最佳介质改性配方。包括适宜的添加剂种类、复合添加剂加工工艺，以及最佳添加量和复合材料制作工艺等。参考文献[1]MURANAKA，TAKANOBU，et a1．Recent progress of development of multi utility spacecraft charging analysis tool(MUSCAT)Ec]／／Collection ofTechnicalPapers44thA1AAAerospaceSciencesMeeting，v7，Collection ofTechnicalPapers一44thAIAAAerospaceSciencesMeeting，2006：4758—4764．[2]KAWAKITASHIROU，KUSAWAKEHIROAKI，et a1．Investigation of power system failure of aLEO satel lite[c]／／Collection ofTechnicalPapers一2ndInternationalEnergyConversionEngineeringConference，V2，Collection ofTechnicalPapers一2ndInternationalEnergyConversionEngineeringConference，2004：1149—1154．E3]CHO，MENGU．Failure mechanisms and protection methods of spacecraft power system[c]／／Proceedings of theInternationalSymposium onElectricalInsulatingMaterials，vl，Proceedings of2005InternationalSymposium onEleetricalInsulatingMaterials，(ISEIM)，2005：45—48．
