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lican8341的博客

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探讨质子辐照引起的质量损失模型及实验验证  

2016-12-14 21:45:25|  分类: 嫦娥飞天——中华 |  标签: |举报 |字号 订阅

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0 引言

  聚合物材料在空间环境下因发生出气逸出行为可造成分子污染。航天器敏感表面污染是一个复杂的物理与化学过程。它包括挥发物分子从材料体内逸出、空间传输和在敏感表面沉积三个基本过程。分子污染效应不仅取决于航天器所使用聚合物材料的种类和数量,而且与航天器的尺寸及敏感表面的相对位置密切相关,同时受温度和辐照等环境的影响。污染效应仿真需建立在一系列数学模型的基础上,现有的一些模型可在一定精度上对污染效应进行预测,但仍不完善,如未考虑温度和辐照环境的影响,这导致了与实际空间环境的差异。在各种空间辐照环境中,带电粒子辐照对聚合物材料的影响极其显著。近地空间的带电粒子成分主要是电子和高能质子。高能质子因具有较高的能量,会对空间聚合物材料造成电离和位移损伤等效应,从而影响材料的结构和性能。目前,关于高能质子环境效应研究多集中在损伤效应方面,对质子辐照引起的污染效应的数学模拟与预估研究鲜有报道。根据质子辐照聚合物材料的假设条件,基于扩散理论建立质子辐照质量损失数学模型。通过求解,获得质量损失的函数关系式。利用实验结果验证了模型的适用性。

  1 质量损失模型

  1. 1 假设条件

  质子辐照聚合物材料会引起以下过程: 材料内部和表面挥发物组分的解吸附、聚合物材料因受到质子能量传递而产生分子链降解以及上述过程中小分子物质扩散等。建立模型前先做了如下假设:

  ( 1) 相比薄膜材料长度与宽度来说,材料厚度非常小,以至于可以忽略长度和宽度的影响,因而可将问题简化为一维无限大平板问题;

  ( 2) 材料温度恒定;

  ( 3) 扩散系数及化学反应系数均服从阿伦尼乌斯方程,即其与时间无关,而与材料的温度有关;

  ( 4) 不考虑表面解吸附的影响,即扩散至材料表面的分子全部挥发至真空中;

  ( 5) 材料出气成份仅为材料吸附的气态分子及本身所有的未反应单体、添加剂等分子,或者质子辐照聚合物材料降解产生的分子,不考虑其他分子及其之间的化学反应;

  ( 6) 出气仅发生在材料与真空界面;

  ( 7) 模型中各系数均为宏观等效值。

  1. 2 质子射程计算

  按照通用的AP8 模型,采用SRIM 程序计算高能质子( 能量为10 MeV) 对材料的入射射程。根据软件计算结果,10 MeV 对聚酰亚胺材料的射程为0. 992 mm。而聚酰亚胺薄膜的厚度为20 μm,质子射程远大于薄膜厚度。

  1. 3 模型建立

  模型的基础上,现有的一些模型可在一定精度上对污染效应进行预测,但仍不完善,如未考虑温度和辐照环境的影响,这导致了与实际空间环境的差异。在各种空间辐照环境中,带电粒子辐照对聚合物材料的影响极其显著。近地空间的带电粒子成分主要是电子和高能质子。高能质子因具有较高的能量,会对空间聚合物材料造成电离和位移损伤等效应,从而影响材料的结构和性能。目前,关于高能质子环境效应研究多集中在损伤效应方面,对质子辐照引起的污染效应的数学模拟与预估研究鲜有报道。根据质子辐照聚合物材料的假设条件,基于扩散理论建立质子辐照质量损失数学模型。通过求解,获得质量损失的函数关系式。利用实验结果验证了模型的适用性。

  1 质量损失模型

  1. 1 假设条件

  质子辐照聚合物材料会引起以下过程: 材料内部和表面挥发物组分的解吸附、聚合物材料因受到质子能量传递而产生分子链降解以及上述过程中小分子物质扩散等。建立模型前先做了如下假设:

  ( 1) 相比薄膜材料长度与宽度来说,材料厚度非常小,以至于可以忽略长度和宽度的影响,因而可将问题简化为一维无限大平板问题;

  ( 2) 材料温度恒定;

  ( 3) 扩散系数及化学反应系数均服从阿伦尼乌斯方程,即其与时间无关,而与材料的温度有关;

  ( 4) 不考虑表面解吸附的影响,即扩散至材料表面的分子全部挥发至真空中;

  ( 5) 材料出气成份仅为材料吸附的气态分子及本身所有的未反应单体、添加剂等分子,或者质子辐照聚合物材料降解产生的分子,不考虑其他分子及其之间的化学反应;

  ( 6) 出气仅发生在材料与真空界面;

  ( 7) 模型中各系数均为宏观等效值。

  1. 2 质子射程计算

  按照通用的AP8 模型,采用SRIM 程序计算高能质子( 能量为10 MeV) 对材料的入射射程。根据软件计算结果,10 MeV 对聚酰亚胺材料的射程为0. 992 mm。而聚酰亚胺薄膜的厚度为20 μm,质子射程远大于薄膜厚度。

  1. 3 模型建立

  使用分离变量法可得( 1) 的解为:C( xt ) =Σ"n = 12C0nπ( 1 - ( - 1) n ) e -k-Dn2π2( l2 )tsin nπl x +Σ"n = 12μφl2( nπ) 3D( 1 - ( - 1) n) [1 - e -Dn2π2l ( 2 )t]sin nπl x+Σ"n = 12C0nπ( 1 - ( - 1) n ) e -Dn2π2l ( 2 )tsin nπl x - μφ2Dx2 + μφl2D x( 2)=Σ"n = 1{ 4C0nπ e -k-Dn2π2l ( 2 )t + 4C0nπ e -Dn2π2l ( 2 )t + 4μφl2( nπ) 3D[1 - e -Dn2π2l ( 2 )t } sin nπl x - μφ2Dx2 + μφl2D x n = 135 ( 3)F( xt ) = - D C( xt)x= - DlΣ"n = 1{ 4C0nπ e -k-Dn2π2l ( 2 )t + 4C0nπ e -Dn2π2l ( 2 )t + 4μφl2( nπ) 3D[1 - e -Dn2π2l ( 2 )t]} nπcos nπl x - μφD x + μφl2Dn = 135( 4)F( lt) =Σ"n = 1{ 4DC0l e -Dn2π2l ( 2 )t + 4DC0l e -k-Dn2π2l ( 2 )t - 4μφl2( nπ) 2D[1 - e -Dn2π2l ( 2 )t]} + μφl2D n = 135 ( 5)W( Tt) =t0F( lt ) dt ( 6)n = 1 做近似计算:W( Tt) = 4DC0 lπ2D[1 - e -Dπ2l ( 2 )t]+ 4DC0 lkl2 + π2D[1 - e -k-Dπ2l ( 2 )t]- 4μφl3π4D[1 - e -Dπ2l ( 2 )t]+ μφl2D t ( 7)2 实验验证为了获取质子辐照引起的具体材料的质量损失模型,在高能质子加速器中模拟辐射环境对PI 薄膜进行了不同剂量的辐照实验。试验选取质子的辐照能量为10 MeV,辐照强度为5. 0 × 107 cm - 2·s - 1,辐照注量为1011-101 2 cm - 2。对辐照后的PI 薄膜按照QJ1558 - 1988 的实验条件,利用污染低温凝结效应设备进行了出气测试。所得的数据如下表所示:

  高能质子辐照后,PI 薄膜的质量损失急剧增加,但随辐照注量增加,质量损失趋于饱和,实验后期质量损失无明显变化。根据该实验结果,对( 7) 式进行拟合( PI 样品厚度为0. 002 cm) 。拟合曲线与实验值如图5 所示。从该图可见,拟合值与实验值间的误差较小,模拟曲线可反映出质子辐照聚酰亚胺薄膜引起的质量损失变化。当辐照时间为2 × 104 s,即辐照注量为1. 0 ×1012 cm - 2时,模拟值与实验值间的误差相对较大,其值为- 5. 8%。模拟值较实验值偏小的原因可能是建立数学模型的过程中未考虑质子的带电效应。这需要后续进行更加深入的数学建模研究。但该模型仍可满足一般工程设计的需要。拟合得到的质子辐照PI 引起的质量损失函数式为:W( t) = 1. 76 × 10 -5 × ( 1 - e-1. 3t ) + 1. 9 × 10 -13 t( 8)( 8) 式与( 7) 式进行对比可见,高能质子因在材料中沉积的能量少[12],从而造成材料的化学变化较小,释放出的挥发性物质也相应较少,即高能质子辐照材料引起的化学反应对质量损失的影响较少。因而,( 7) 式中前三项可合并为( 8) 式的第一项。

  3 结论

  ( 1) 依据假定的质子辐照聚合物薄膜材料的物理与化学过程,建立了质子辐照聚合物材料质量损失模型。对数学模型进行了求解,获得了质子辐照聚合物薄膜材料质量损失随辐照时间变化的函数关系式。

  ( 2) 利用高能质子加速器辐照设备及污染凝结效应设备测试了辐照引起的聚酰亚胺薄膜质量损失。将实验数据代入模型中,获取了质子辐照聚酰亚胺引起的质量损失模型函数关系式。

  ( 3) 通过长时间的辐照实验对获得的聚酰亚胺薄膜的质量损失模型进行了验证。结果表明,该质量损失模型的最大误差为- 5. 8%,仍可满足一般工程设计的需要。研究获得的非金属材料质量损失方程可为选择空间材料提供理论依据。

 

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