宇航用脂肪族聚合物絕緣材料的空間輻照效應等效性評價方法與流程

本發明涉及粒子輻射環境用脂肪族聚合物絕緣材料不同輻照源位移輻照效應的等效性評價方法。

背景技術：

隨著航天器可靠性要求的不斷提高，對電連接器、繼電器及電線電纜等電氣元件的空間環境可靠性也提出了更高的要求。大量工程實踐表明，由于電連接器、繼電器及電線電纜的絕緣性能影響到電子設備工作的穩定性、可靠性，并對其壽命起決定作用，所以必須對宇航電連接器、繼電器及電線電纜所用的絕緣材料進行研究。

絕緣材料可以分為兩大類，聚合物絕緣材料和無機絕緣材料。其中，聚合物絕緣材料以其優異的電氣絕緣性能、綜合平衡性能、良好的加工成型性能，在航天器中有著廣泛的應用。

在宇宙空間中存在大量的帶電粒子，包括：地球輻射帶、太陽宇宙射線及銀河宇宙射線，其能量可達數十keV甚至數百MeV以上，同時也存在著穿透能力極強的各種射線，如γ射線。

空間實踐表明，在空間服役時，來自空間的帶電粒子和射線會引起聚合物絕緣材料的分子結構發生變化，從而導致絕緣材料的絕緣性能降低，直接影響到電氣設備的可靠性。

由此可見，聚合物絕緣材料作為航天器上電氣、電子器件的關鍵組成部分，其性能直接影響到儀器設備乃至航天器運行的可靠性和壽命。

因此，針對聚合物絕緣材料空間應用的需要，通過地面輻照試驗有效地表征和評價聚合物絕緣材料空間輻射損傷行為是十分必要的。

迄今，國內外針對聚合物絕緣材料的研究主要集中于單一輻照源，包括帶電粒子和各種射線的能量、注量對其性能及微觀結構的影響，并沒有深入探究不同輻照源作用下聚合物絕緣材料的輻照損傷機理的差異，并且對于不同輻照源作用下聚合物絕緣材料的輻照效應及損傷機理能否等效這一問題還不清楚。

因此，目前國際上針對聚合物空間輻照效應等效性的評價方法處于空白。這必然會導致空間用聚合物絕緣材料的空間輻照效應的評價不夠準確，從而直接影響到儀器設備乃至航天器運行的可靠性和壽命。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有的宇航用脂肪族聚合物空間輻照效應評價方法，評價誤差大的技術問題，本發明提供了一種宇航用脂肪族聚合物絕緣材料的空間輻照效應等效性評價方法。

宇航用脂肪族聚合物絕緣材料的空間輻照效應等效性評價方法，該方法包括如下步驟：

步驟一、根據各輻射源的能量、待測材料樣品的化學組分及待測材料樣品的密度，利用基于Monte Carlo方法的GEANT4模擬軟件，計算各輻射源在待測材料樣品中的LET值、電離吸收劑量及射程；

所述的待測材料樣品為脂肪族聚合物絕緣材料；

所述的各輻射源包括Co源、電子、質子及重離子；

步驟二、根據各輻射源在待測材料樣品中的射程，確定待測材料樣品的厚度，且以各輻射源在待測材料樣品中的最小射程作為待測材料樣品的厚度；

步驟三、取四塊待測材料樣品，且每塊待測材料樣品的厚度均與步驟二中確定的待測材料樣品的厚度相同，使每種輻射源對應一塊待測材料樣品進行輻照試驗，使各輻射源的輻照粒子完全穿透所對應的待測材料樣品的厚度；

步驟四、輻照后，對各待測材料樣品進行微觀結構分析和性能測試；

步驟五、根據步驟四獲得的測試數據，制定各輻射源在輻照條件下的微觀結構分析獲得的各物理量與電離吸收劑量的關系曲線，及性能測試獲得的各物理量與電離吸收劑量的關系曲線，作為對脂肪族聚合物絕緣材料輻照效應等效性的評價結果。

所述的微觀結構分析的分析內容包括自由基、基團和化學成分；性能測試的測試內容包括力學性能、介電性能、絕緣性能及光學性能。

步驟五中，微觀結構分析獲得的各物理量與電離吸收劑量的關系曲線包括自由基與電離吸收劑量的關系曲線、基團與電離吸收劑量的關系曲線和化學成分與電離吸收劑量的關系曲線；

性能測試獲得的各物理量與電離吸收劑量的關系曲線包括力學性能與電離吸收劑量的關系曲線、介電性能與電離吸收劑量的關系曲線、絕緣性能與電離吸收劑量的關系曲線及光學性能與電離吸收劑量的關系曲線。

所述的力學性能測試滿足GB/T 1040-2006國家試驗標準要求，介電性能測試滿足GB/T 1409-2006國家試驗標準要求，絕緣性能測試滿足GB/T 1040-2006國家試驗標準要求，光學性能測試滿足GB/T 30983-2014國家試驗標準要求。

本發明帶來的有益效果是，依據本發明方法對脂肪族聚合物絕緣材料進行等效評價，在輻照粒子能夠完全穿透被測材料樣品整體厚度的情況下，不同輻照源粒子均對該類聚合物絕緣材料造成的損傷以電離損傷為主，材料性能的退化程度與輻照源無關，即不存在LET效應，只與電離吸收劑量有關；本發明等效方法操作簡單，評價結果的準確度高。

附圖說明

圖1為本發明所述的宇航用脂肪族聚合物絕緣材料的空間輻照效應等效性評價方法的流程圖；

圖2為Co-60、1MeV電子及10MeV質子輻照條件下，交聯乙烯-四氟乙烯共聚物(XETFE)絕緣材料的介電常數隨著電離吸收劑量的演化曲線；

圖3為Co-60、1MeV電子及10MeV質子輻照條件下，交聯乙烯-四氟乙烯共聚物(XETFE)絕緣材料的絕緣電阻隨著電離吸收劑量的演化曲線；

圖4為Co-60、1MeV電子及10MeV質子輻照條件下，XETFE絕緣材料的斷裂延伸率隨著電離吸收劑量的演化曲線；

圖5為Co-60、1MeV電子及10MeV質子輻照條件下，XETFE絕緣材料的終止融化溫度隨著電離吸收劑量的演化曲線；

圖6為1MeV電子和10MeV質子輻照條件下，脂肪族聚合物絕緣材料聚乙烯(PE)的拉伸強度與電離吸收劑量關系曲線；

圖7為1MeV電子和10MeV質子輻照條件下，脂肪族聚合物絕緣材料聚乙烯(PE)的斷裂延伸率與電離吸收劑量的關系曲線；

圖8為1MeV電子和10MeV質子輻照條件下，兩種脂肪族聚合物絕緣材料聚四氟乙烯(PTFE)的拉伸強度與電離吸收劑量的關系曲線；

圖9為1MeV電子和10MeV質子輻照條件下，兩種脂肪族聚合物絕緣材料聚四氟乙烯(PTFE)的斷裂延伸率與電離吸收劑量的關系曲線。

具體實施方式

具體實施方式一：參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的宇航用脂肪族聚合物絕緣材料的空間輻照效應等效性評價方法，該方法包括如下步驟：

步驟一、根據各輻射源的能量、待測材料樣品的化學組分及待測材料樣品的密度，利用基于Monte Carlo方法的GEANT4模擬軟件，計算各輻射源在待測材料樣品中的LET值、電離吸收劑量及射程；

所述的待測材料樣品為脂肪族聚合物絕緣材料；

所述的各輻射源包括Co源、電子、質子及重離子；

步驟二、根據各輻射源在待測材料樣品中的射程，確定待測材料樣品的厚度，且以各輻射源在待測材料樣品中的最小射程作為待測材料樣品的厚度；

步驟三、取四塊待測材料樣品，且每塊待測材料樣品的厚度均與步驟二中確定的待測材料樣品的厚度相同，使每種輻射源對應一塊待測材料樣品進行輻照試驗，使各輻射源的輻照粒子完全穿透所對應的待測材料樣品的厚度；

步驟四、輻照后，對各待測材料樣品進行微觀結構分析和性能測試；

步驟五、根據步驟四獲得的測試數據，制定各輻射源在輻照條件下的微觀結構分析獲得的各物理量與電離吸收劑量的關系曲線，及性能測試獲得的各物理量與電離吸收劑量的關系曲線，作為對脂肪族聚合物絕緣材料輻照效應等效性的評價結果。

本實施方式中，當各輻射源在相同坐標關系下的曲線重合，則證明各輻射源可相互等效，各輻射源在相同坐標關系下的曲線越趨近于一致，則證明各輻射源的特性越趨于一致。

步驟二中，由于各輻射源的輻照粒子在待測材料樣品內部的射程不同，評價不同輻照源(Co60、高低能電子、高低能質子及各總能量重離子)條件下聚合物絕緣材料的輻照損傷效應時可能會遇到兩種情況；

一種情況，輻照粒子能夠完全穿透待測材料樣品的整體厚度，即能夠對待測材料樣品造成均勻性損傷，適用于評價材料的整體性能；

另一種情況，輻照源粒子射程較短(小于待測材料樣品厚度)，對待測材料樣品造成非均勻性損傷，難于評價材料的整體性能，適合評價表面性能。

因此，本申請以各輻射源在待測材料樣品中的最小射程作為待測材料樣品的厚度；使各輻射源的輻照粒子完全穿透所對應的待測材料樣品的厚度；在同等條件下進行輻照試驗，提高測試結果的精確度。

輻照后對聚合物絕緣材料進行微觀結構分析，測試時應滿足各種分析儀器設備對測試樣品的要求。通常，在輻照試驗后應在短時間內進行測試，特別是對聚合物絕緣材料內部自由基的測試。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一所述的宇航用脂肪族聚合物絕緣材料的空間輻照效應等效性評價方法的區別在于，所述的微觀結構分析的分析內容包括自由基、基團和化學成分；性能測試的測試內容包括力學性能、介電性能、絕緣性能及光學性能。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式二所述的宇航用脂肪族聚合物絕緣材料的空間輻照效應等效性評價方法的區別在于，步驟五中，微觀結構分析獲得的各物理量與電離吸收劑量的關系曲線包括自由基與電離吸收劑量的關系曲線、基團與電離吸收劑量的關系曲線和化學成分與電離吸收劑量的關系曲線；

性能測試獲得的各物理量與電離吸收劑量的關系曲線包括力學性能與電離吸收劑量的關系曲線、介電性能與電離吸收劑量的關系曲線、絕緣性能與電離吸收劑量的關系曲線及光學性能與電離吸收劑量的關系曲線。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一所述的宇航用脂肪族聚合物絕緣材料的空間輻照效應等效性評價方法的區別在于，所述的力學性能測試滿足GB/T 1040-2006國家試驗標準要求，介電性能測試滿足GB/T 1409-2006國家試驗標準要求，絕緣性能測試滿足GB/T 1040-2006國家試驗標準要求，光學性能測試滿足GB/T 30983-2014國家試驗標準要求。

由圖2至圖5可知，不同輻射源輻照條件下XETFE絕緣材料的性能退化與電離吸收劑量能夠較好地滿足一定的關系。這說明該材料由不同輻照源導致的性能退化只取決于電離吸收劑量與輻照源無關。基于上述分析結果可以充分說明，針對XETFE這種聚合物絕緣材料，不存在LET效應，即Co-60、1MeV電子及10MeV質子輻照源是可以相互等效的。

圖6和圖9為1MeV電子和10MeV質子輻照條件下兩種脂肪族聚合物絕緣材料聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)拉伸性能(拉伸強度和斷裂延伸率)與電離吸收劑量關系曲線。試驗結果表明，針對這兩種材料，1MeV電子和10MeV質子之間也是可以等效的。