空间飞行器用电线电缆绝缘材料.pdf

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1、50绝缘材料2004 No.2空间飞行器用电线电缆绝缘材料孙彩霞1,王复东1,马磊1,徐杰1,刘晓海2,王爱琴1,张涛1(1.中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连116023;2.大连市环境保护局甘井子分局,辽宁大连116031)摘要:综述了空间飞行器上常用的电线电缆绝缘材料 聚硅氧烷、含氟弹性体、聚酰亚胺的性能,空间飞行环境对绝缘材料的要求和这三类材料的优缺点,尤其是耐原子氧的性能进行了比较,含氟弹性体如氟化乙丙烯橡胶(FEP)受原子氧侵蚀最轻,具有较强的耐原子氧能力。指出了新型空间飞行器用电线电缆绝缘材料的研究开发方向。关键词:电线电缆;绝缘材料;聚硅氧烷;含氟弹性体;聚酰亚胺;空间飞行

2、器中图分类号:TM249;V259.5;TQ323.7;TQ333.93文献标识码:A文章编号:1009-9239(2004)02-0050-03Insulating materials for spacecraft wire and cableSUN Cai-xia1,WANG Fu-dong1,MA Lei1,XU Jie1,LIU Xiao-hai2,WANG Ai-qin1,ZHANG Tao1(1.Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Dalian 116023,China;2.Ganjing

3、zi Branch of Dalian Environmental Protection Bureau,Dalian 116031,China)Abstract:In this paper,the properties of three kinds of usual insulating materials(polysiloxane,fluoro2carbon elastomer and polyimide)for spacecraft are reviewed,especially their resistibility to atomic oxygenis discussed.The fu

4、ture development of new insulating materials for spacecraft is prospected.Key words:wire and cable;insulating material;polysiloxane;fluorocarbon elastomer;polyimide;spacecratf收稿日期:2003-10-17作者简介:孙彩霞,女,硕士,助研,主要从事航空航天用高分子材料方面的研究(T el:0411-4379157,Email:)。1前言由于空间飞行器所处的特殊环境,对电线电缆绝缘材料的性能提出了特殊的要求1。除了要求具有优

5、良的电气绝缘性能、质轻、低燃(或不燃)、耐高低温、优异的力学性能外,还要求很低的真空脱气性、很高的耐原子氧和耐辐射等性能。2材料的种类空间飞行器用电线电缆常用的有机高分子聚合物为聚硅氧烷、含氟弹性体和聚酰亚胺等。表1给出了这三类材料的部分性能。这三类材料独特的分子结构决定了它们均具有优良的机械性能、耐热性、耐氧化性以及电绝缘性能26。聚硅氧烷具有优异的耐电流超载能力,无论在燃烧时或燃烧后都能维持耐电流超载能力7。但是聚硅氧烷材料的真空脱气性较差、抗切断能力不高,它最大的缺点是可燃,且燃烧时有烟生成,从而限制了其应用。虽然含氟弹性体的介电常数是最低的(3.0以下),但是燃烧时会释放出剧毒和强腐蚀

6、性的氟化氢气体,给仪器设备和宇航员造成很大威胁,还由于其密度大,制成的绝缘材料比较重,耐辐射性能也不是很理想,耐寒性较差,价格也较高,这些在一定程度上限制其在空间飞行器上的应用。在空间飞行器上应用最多的电绝缘材料是聚酰亚胺,例如采用K apton?聚酰亚胺薄膜绕包的电线电缆在飞行器的舱内舱外都用到它。在这三类材料中,聚酰亚胺的耐辐射性能最好,密度最小,可大大减轻电线电缆的重量和空间89。但是K apton?易被原子氧侵蚀,而且耐电弧能力差10。3耐原子氧性能美国航空航天局(NASA)对现有的绝缘材料在空间环境下长时间暴露实验表明,原子氧、紫外辐射、离子辐射、冷热循环、微流星撞击等对材料都有损害

7、,其中以原子氧的侵蚀最为严重。表2列出了不同绝缘材料的耐原子氧性能11。孙彩霞等:空间飞行器用电线电缆绝缘材料绝缘材料2004 No.251表1各种电线电缆绝缘材料的性能性能聚酰亚胺(K apton?)聚四氟乙烯(TEFLON?)氟化乙丙烯(TEFLON?)聚四氟乙烯-乙烯共聚物(TEFZEL?)聚硅氧烷(RTV-615)密度,g/cm31.422.162.151.701.57长期使用温度,260260200150200限氧指数,%4395953022介电常数,1kHz3.21.82.22.02.63.5耐辐射性能,rads5109510551055107108抗冷流能力优差差良良抗切断性能优

8、差差良差真空脱气性良良良良差孙彩霞等:空间飞行器用电线电缆绝缘材料表2各种绝缘材料的耐原子氧性能(在原子氧动能4.5ev时)材料聚酰亚胺(K apton?)聚四氟乙烯(TEFLON?)氟化乙丙烯(TEFLON?)聚硅氧烷(RTV-615)聚乙烯原子氧侵蚀率(10-24cm3/atom)3.00.050.0370.051.53.7表3原子氧对改性聚酰亚胺的侵蚀率材料聚酰亚胺硅氧烷/聚酰亚胺Al2O3/聚酰亚胺SiO2/Al/聚酰亚胺原子氧侵蚀率(10-24cm3/atom)3.00.050.0370.051.53.1聚硅氧烷聚硅氧烷材料在低空间轨道中受原子氧的侵蚀率并不高,其原因是聚硅氧烷表面暴

9、露于原子氧后,生成一薄层耐原子氧的氧化硅,它可以保护下面材料不受进一步的损害12。Scialdone等13 的元素分析结果表明,RTV-615硅橡胶在空间环境下长时间暴露的迎风表面,C含量减少,Si含量不变,O含量增加了一倍。氧化收缩导致表面层有裂纹,原子氧可以由此扩散到材料内层,进一步侵蚀内层聚合物,因此聚硅氧烷不适合作耐原子氧壁垒14。3.2含氟弹性体实验结果表明,氟化乙丙烯橡胶(FEP)受原子氧侵蚀最轻,具有较强的耐原子氧能力。这可能与FEP结构中(见图1)键能高和侧基保护有关。FEP中C-C键能4.3eV,C-F键能高达5.5eV,而聚乙烯的C-C键能为3.9eV。FEP的侧基(-CF

10、3、-F)及其高的键能保护了主链。不然FEP暴露于原子氧环境中时,其侵蚀率应该与聚乙烯接近,而实际上FEP远比聚乙烯的侵蚀率小,因此推测侧基C-F键的断裂是FEP受原子氧损害的主要机理。在低地球轨道环境中只有30%的原子氧具有5.5eV这么高的能量,所以FEP的侵蚀率较低。CF3nFFFFFFFxC-CC-C图1T eflon?FEP的分子结构示意图3.3聚酰亚胺聚酰亚胺的结构决定了在有原子氧存在的情况下它很容易受到侵蚀。在原子氧动能4.5ev时,如果将0.1mm厚的K apton?聚酰亚胺暴露于空间站舱外,约400天就会被侵蚀掉;在最大原子氧流时,1mm厚的K apton?聚酰亚胺三年就会侵

11、蚀完15。由于聚酰亚胺受原子氧侵蚀较为严重,单独用于空间环境时寿命较短。然而目前它又是空间飞行器中必不可少的材料,为了使之不受原子氧的侵蚀或减少其破坏程度,人们对聚酰亚胺的改性或涂层修饰都作了很多研究16,17,例如将SiOx、SiO2、Al2O3喷溅沉积到K apton?聚酰亚胺薄膜上,可以防止原子氧的氧化。在聚酰亚胺高分子结构内引入硅氧键也可以提高其对原子氧的抵抗能力。表3给出了原子氧对改性后的聚酰亚胺的侵蚀率。4新的材料的研究与开发上述三类材料各有优缺点,将这三种材料混合使用或相互共混、共聚改性是研究开发新型绝缘材料的(下转第55页)绝缘材料2004 No.255(上接第51页)方向。如

12、有机硅-聚酰亚胺共聚物,既具有无机硅优异的耐高温性和耐候性,又具有聚酰亚胺的韧性和强度,不仅克服了聚酰亚胺的脆性和难以加工的特点,也避免了有机硅强度低、易燃烧的缺点。该树脂的介电常数为2.9(1kHz),限氧指数达到46%,而密度只有1.18kg/cm3。这种混合树脂完全可以应用于单一聚合物不能使用的场合18。鉴于聚酰亚胺耐电弧能力差,目前NASA致力于寻找替代材料。实验发现,一种聚酰亚胺带和聚四氟乙烯层结合的绝缘结构可以明显地改进耐电弧性能1920。这种结构的电线可以阻断在电弧蔓延过程中由于热降解而生成碳的途径,同时在很宽的温度范围内能保持其机械性能,具有耐久性好、燃烧时发烟量小、便于安装、

13、有多种来源和一定的产量等特点,作为宇航电线已经得到NASA的认可。参考文献1W Khachen,et al.Aerospace-specificdesignguidelinesforelectrical insulationJ.IEEE Trans.Electr.Insul.,1993,(5):76886.2L D Schwartz,et al.Heat release,flammability,smoke and toxichazard of various aircraft insulated wiresJ.Proc.Int.Conf.FireSaf.,1999,(27):168185.3

14、A Hammoud,et al.Effects of thermal and electrical stressing onthe breakdown behavior of space wiringJ.Annu.Rep.-Conf.Electr.Insul.Dielectr.Phenom.,1995:266269.4孙彩霞,王复东,徐杰.空间飞行器阻燃防火材料研究工作报告-高性能聚酰亚胺材料的研制,中国国防科学技术报告GF863-2-2-1-15M.大连:中国科学院大连化学物理研究所,2001.5孙彩霞,王复东,徐杰.一种制备聚酰亚胺模塑粉的方法 P.CN 1428360,2001-12-2

15、5.6孙彩霞,王复东,徐杰.一种易加工的高性能聚酰亚胺材料及其制备方法 P.CN 1428361,2001-12-27.7M A Cabey.New silicone rubber cable insulation promises circuitintegrity in flaming environmentC.International Wire and CableSymposium Proceedings.1983:175.8戴雯琼.聚酰亚胺绝缘电缆J.电线电缆译丛,1993,(6):3334.9练传银.运载火箭电缆网减重研究J.上海航天,1992,(2):1419.10王志和.航天电线

16、电缆电弧漏泄痕迹的调研J.文献快报:纤维光学与电线电缆,1995,(5):1722.11B A.Banks,et al.Atomic oxygen effects on materials C.NASA Conference Publication 3035,1988.12J A.Dover.Lowearth orbital atomic oxygen and ultravioletradiation effects on polymersR.NASA TM 103711,1991.13J.J.Scialdone and C.H.Clatterbuck.Four space applicati

17、onmaterial coatings on the long duration exposure flightR.NASATM 104574,1993.14B.A.Banks,et al.LDEF 69months in spaceC.Proceedingsof NASA 1st Post Symposium.1991:108.15王复东,徐筠,孙彩霞,等.空间飞行器阻燃防火材料研究调研报告(续),中国国防科学技术报告GF863-2-2-1-15M.大连:中国科学院大连化学物理研究所,2000.16P W Knopf,et al.Correlation of laboratory and f

18、light data forthe effects of atomic oxygen on polymeric materials C.AIAA20th ThermophysicsConference.Williamsburg,VA,1985.17B.A.Banks,et al.Ion beam sputter-deposited thin filmcoatings for the protection of the spacecraft polymers in low earthorbitC.23rd Aerospace Sciences Meeting.Reno,Nevada,1985.1

19、8Maguire G.J Wire Journal International,1989,(10):7284.19A N Hammoud,et al.Performance of partially fluorinated polyimideinsulation for aerospace applications J.Annu.Rep.-Conf.Electr.Insul.Dielectr.Phenom.,1995:262265.20G.A.Slenski.New insulation constructions for aerospace wiringapplicationsR.N95-1

20、6056,1994.占亮等:介电电泳在电磁操作生物芯片技术中的应用4应用前景展望由上可见,细胞介电电泳分离技术具有许多优点:第一,不需要添加抗体,因此,细胞不会在分离过程中因抗体反应而发生生物性质改变。第二,所用交变电场对细胞的作用是“非破坏性”的。初步研究证明,细胞经过这类电场作用后,其生长及分裂性质不会改变。第三,这类技术的使用灵活、电场强度、频率、相位都容易调控,便于自动化。第四,可以重复使用。第五,该技术还可与其它方法结合使用,以达到最佳的细胞分离检测效果。因此介电电泳分离技术完全可以用来替代传统的分离技术。作为电磁操作生物芯片技术中电场部分的主要应用基础,介电电泳具有广泛的应用前景。

21、参考文献1马立人,蒋中华.生物芯片M.北京:化学工业出版社,2000.2Pohl H A.DielectrophoresisM.Cambridge:Cam-bridge UniversityPress,1978.3Jones T B.Electromechamics of particlesM.Cambridge:CambridgeUniversity Press,1995,533.4Pethig R.Dielectric and electronic properties of biological materialsM.J.Wiley&Sons,1979,186206.5Markx GH,

22、T alary MS,Pethig R.Separation of viable and non-viable yeast using dielectroph-oresis J.J Biotechnology,1994,32(1):2934.6Pethig R.Dielectrophoresis:using inhomogeneo-us AC electricalfields to separate and manipulate cellsJ.Crit.Rev.Biotechnology,1996,(16):331348.7Sanders G H W,Manz A.Chip-based M i

23、crosystems for genomicand proteomic analysisJ.Treds Anal Chem,2000,19(6):364378.8 Pethig R,Markx G.H.Applications of dielectrophoresis in biotech-nologyJ.Trends in Biotechnology,1997,(15):426432.9Cheng J,Fortina P,Sorrey S,et al.M icrochip-based device firmolecular of genetic disease J.M olecular Diagnosis,1996:(1),183190.10Burt J.P.H.,Chan K.L.,Dawson,D.,Parton A.,Pethig R.Assays for microbial contamination and DNA analysis based onelectrorotationJ.Ann.Biol.Clin,1996,(54):253257.