基于正十四烷微膠囊和微封裝技術(shù)的相變材料技術(shù)研究

王瑞杰,金兆國(guó),丁 汀,周 清,詹萬(wàn)初

(1.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京100074；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100086)

基于正十四烷微膠囊和微封裝技術(shù)的相變材料技術(shù)研究

王瑞杰1,金兆國(guó)1,丁 汀2,周 清1,詹萬(wàn)初1

(1.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京100074；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100086)

針對(duì)航天器對(duì)相變強(qiáng)化傳熱技術(shù)的需求，以及對(duì)熱控系統(tǒng)的技術(shù)要求，開(kāi)展了基于正十四烷為代表的低溫相變材料微膠囊包覆技術(shù)和相變溫控裝置研制，通過(guò)表面封裝和導(dǎo)熱增強(qiáng)技術(shù)處理，提高了相變材料在熱控領(lǐng)域應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性；依據(jù)航天器熱控系統(tǒng)運(yùn)行條件，分別通過(guò)了鑒定級(jí)的熱真空、輻照、熱循環(huán)等環(huán)境試驗(yàn)，及隨機(jī)振動(dòng)、正弦振動(dòng)和沖擊等力學(xué)試驗(yàn)考核，為實(shí)現(xiàn)航天器輕質(zhì)、高效、高精度的熱控形式提供新的技術(shù)方法。

正十四烷相變材料；微膠囊化技術(shù)；溫控裝置；力學(xué)試驗(yàn)；熱真空試驗(yàn)

1 引言

外太空溫度屬于極寒或極熱環(huán)境，在軌飛行的航天器處于周期性陽(yáng)光輻照環(huán)境中，需承受外界高低溫交替變化，同時(shí)空間艙內(nèi)部安裝有大量?jī)x表設(shè)備等發(fā)熱器件，產(chǎn)生大量廢熱，加上艙內(nèi)封閉，致使艙內(nèi)會(huì)因儀表過(guò)熱而出現(xiàn)局部高溫。因此，必須采用有效的熱控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航天器內(nèi)部環(huán)境溫度的控制，保障航天器內(nèi)儀器設(shè)備工作的溫度環(huán)境，維持正常運(yùn)行[1]。

相變材料作為航天器熱控材料之一，利用相變材料在熔融或凝固相變過(guò)程中能夠重復(fù)吸收、儲(chǔ)存、釋放大量潛熱的特性，實(shí)現(xiàn)航天器自身內(nèi)部高效溫控、能量?jī)?chǔ)存與熱防護(hù)等功能。早在上世紀(jì)七十年代，國(guó)外就開(kāi)始了利用相變儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行發(fā)熱部件熱控的研究，例如美國(guó)阿波羅15號(hào)飛船的月球車上就采用了三個(gè)相變材料裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)工作部件產(chǎn)生熱量的儲(chǔ)存[1]，而正十三烷也曾應(yīng)用于天空實(shí)驗(yàn)室的冷卻回路[2]，文獻(xiàn)[3]分析了相變材料輻射器的在軌溫度數(shù)據(jù)，表明相變熱控可以使該部件溫度到達(dá)“最大工作溫度”的時(shí)間延長(zhǎng)11個(gè)月。美國(guó)的漫游者號(hào)火星著陸器在蓄電池?zé)嵩O(shè)計(jì)中采用了正十二烷和正十六烷相變裝置來(lái)抑制電池的溫度波動(dòng)[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)專家、學(xué)者針對(duì)相變裝置在電子設(shè)備熱控方面的應(yīng)用也做了大量工作[5-9]，例如嫦娥一號(hào)的CCD立體相機(jī)采用了相變材料復(fù)合熱管來(lái)平抑劇烈變化的外熱流對(duì)CCD立體相機(jī)焦面溫度波動(dòng)的影響[10]；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的劉娜[11]完成了以正十八烷為相變?cè)牧?、聚乙二烯為支撐架、膨脹石墨為?dǎo)熱填料復(fù)合的高導(dǎo)熱定型相變材料。但以上研究的關(guān)注點(diǎn)在于固-液相變裝置的設(shè)計(jì)和特性，實(shí)際上，由于固液相變熱控裝置是利用相變材料固-液變化中的潛熱來(lái)維持被控器件溫度的穩(wěn)定性，存在揮發(fā)泄露、導(dǎo)熱性差等問(wèn)題，限制了應(yīng)用范圍，因此需要嚴(yán)格的封裝來(lái)降低材料相變時(shí)液體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，但是實(shí)驗(yàn)表明封裝不是完全可靠[12]。美國(guó)約翰遜空間中心對(duì)封裝好的相變材料進(jìn)行熱真空條件下的凝固/融化試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)三塊樣品中有兩塊發(fā)生了泄漏[13]，這表明固-液相變材料在熱控應(yīng)用中可能存在著較大的安全隱患。因此，相變材料的封裝技術(shù)是實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵和難點(diǎn)問(wèn)題。目前，基于相變材料的封裝方式的研究主要有容器封裝、有機(jī)物插層、高聚物接枝及微膠囊化等多種方法[14]。由于微膠囊化是一種用成膜材料把固體或液體的相變材料包覆使其形成微小粒子，囊壁的包覆能有效解決相變材料的泄漏、相分離以及腐蝕性等問(wèn)題[15]，同時(shí)增大傳熱面積，防止相變物質(zhì)與周圍環(huán)境反應(yīng)，控制相變時(shí)體積變化，提高相變材料的使用效率[16]，故相變材料微膠囊化是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ囊活愊嘧儍?chǔ)能材料。

為設(shè)計(jì)出性能可靠的相變溫控裝置，所選用的相變材料應(yīng)具有相變溫度寬(－26～50℃)、潛熱大、過(guò)冷度小、相變過(guò)程穩(wěn)定且相變可逆外，材料還應(yīng)具有與金屬相容性好、無(wú)毒無(wú)害、封裝使用方便等。綜合各方面考慮，石蠟類相變材料(正十八烷、正十七烷、正十五烷和正十四烷)有可能具有上述優(yōu)點(diǎn)，可以作為較理想的熱控相變材料。故針對(duì)航天器熱控系統(tǒng)需求，開(kāi)展基于正十四烷微膠囊和微封裝技術(shù)的相變材料技術(shù)研究。

2 制備與性能分析

本研究通過(guò)相變材料微膠囊制備工藝和相變材料封裝成型工藝的攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)相變裝置的微型化和粉末化。

2.1 正十四烷相變微膠囊成型及性能分析

在可供實(shí)際選擇的相變材料中，石蠟類相變材料(正十八烷、正十七烷、正十五烷和正十四烷)是一種與熱控相變材料性能要求符合度最高的材料，具有貯熱能力大、相變溫度可根據(jù)需要選擇、相變行為穩(wěn)定、來(lái)源豐富、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，因此常常作為相變控溫和儲(chǔ)熱材料使用[17]。

圖1 正十四烷相變微膠囊粉體及SEM照片F(xiàn)ig.1 Picture of Micro-PCMs of n-Tetrad cane and SEM

另一方面，相變材料微膠囊化的制備方法目前主要有界面聚合和原位聚合法[18-21]。其中，原位聚合法以其成球容易、包覆率易控制、產(chǎn)率高、成本低、易于工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注。

本文以尿素-甲醛聚合物為壁材，采用原位聚合法包覆低熔點(diǎn)的正十四烷相變材料(相變溫度5.5℃[11])?？疾烊榛瘎┑姆N類與用量、乳化時(shí)攪拌速度和乳化時(shí)間、油水比例、預(yù)聚物的加入量、反應(yīng)體系的pH值、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，以優(yōu)化出合適的工藝參數(shù)。圖1為以正十四烷為囊芯制備的相變微膠囊產(chǎn)品及微膠囊掃描電子顯微鏡(SEM)照片，微膠囊顆粒10～20 μm，呈球形均勻分布。

采用差示掃描量熱儀(DSC)和熱重(TG)等方法對(duì)分別對(duì)正十四烷相變?cè)牧霞跋嘧兾⒛z囊進(jìn)行熱分析，DSC測(cè)試條件:溫度范圍－20～50～－20℃，氮?dú)夥諊?，速?℃/min，循環(huán)不少于兩次，圖1、圖2中顯示正十四烷相變?cè)牧系娜廴跍囟燃s7.3℃，焓值234 J/g；正十四烷微膠囊的熔融溫度約7.1℃，焓值147 J/g，故焓值保有率62.8%，即殼體含量為37.2%。

通過(guò)測(cè)熱重TG，對(duì)包覆后的正十四烷微膠囊與原料進(jìn)行比較。TG測(cè)試條件:溫度范圍25～300℃，速率10℃/min，空氣氛圍，其結(jié)果為，正十四烷原料在30.87℃開(kāi)始分解，在169.3℃失重結(jié)束，140℃時(shí)其失重率高達(dá)99.85%，見(jiàn)圖2；包覆后的正十四烷微膠囊分解區(qū)間為32～306℃，在265℃時(shí)失重達(dá)到84.5%，見(jiàn)圖3，比較發(fā)現(xiàn)，包覆后的微膠囊耐熱性明顯地提高，其失重率由原料的99.85%降到微膠囊的84.5%，表明包覆后的微膠囊殼層具有一定的厚度，故通過(guò)微膠囊包覆，能提高正十四烷的耐熱穩(wěn)定性。

圖2 正十四烷相變?cè)牧系腄SC和TGFig.2 The DSC and TG of n-Tetrad cane Phase-change material

圖3 正十四烷相變微膠囊的DSC和TGFig.3 The DSC and TG of microencapsulated n-Tetrad cane PCM

2.2 正十四烷相變復(fù)合成型及性能測(cè)試

為防止相變微膠囊在使用過(guò)程中因應(yīng)力作用發(fā)生液相泄漏問(wèn)題，需要對(duì)此類相變材料進(jìn)行封裝(或簡(jiǎn)稱復(fù)合成型)以制備定形相變材料，即將相變材料與載體基質(zhì)/封裝材料復(fù)合制備一種在工作物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)外形能保持固體形狀且不流動(dòng)的新型相變材料。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)定形相變材料從制備到應(yīng)用都進(jìn)行了大量研究，從公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，定形相變材料大都選擇有機(jī)材料(如石蠟)作為相變物質(zhì)[22，23]，選擇多孔材料(如膨脹石墨[24－26]、二氧化硅[27])或者高分子材料(如低密度聚乙稀(LDPE)[28，29]、高密度聚乙稀(HDPE)[28-30]、環(huán)氧樹(shù)脂[31]、聚丙烯(PP)[32，33]等)作為定形和防滲漏材料。

本研究將正十四烷相變微膠囊材料與基體環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合成型，經(jīng)模壓、固化制得不同尺寸的平板樣件，機(jī)械加工成各種尺寸的件，進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

本研究主要采取大尺寸(300 mm×500 mm× 5 mm)模具，以正十四烷微膠囊產(chǎn)品為相變材料，環(huán)氧樹(shù)脂為載體基質(zhì)，輔以固化劑、稀釋劑等物質(zhì)，通過(guò)模壓、固化、后處理得到一種具有定型的相變儲(chǔ)能功能材料板件，工藝圖見(jiàn)圖4。成型后的相變復(fù)合材料的DSC和TG熱分析如圖5，焓值約為104 J/g，對(duì)其進(jìn)行物理性能測(cè)試(密度、表面狀態(tài)、平面度、振動(dòng)等)、循環(huán)穩(wěn)定性分析及真空揮發(fā)性能測(cè)試，進(jìn)行表觀特征分析和穩(wěn)定性能研究。

圖4 正十四烷相變復(fù)合成型板件工藝圖Fig.4 The technics of n-Tetrad cane composition molding plate

圖5 正十四烷復(fù)合相變材料的DSC和TGFig.5 The DSC and TG of n-Tetrad cane compound material

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用大尺寸的正十四烷相變復(fù)合材料進(jìn)行性能研究，脫模處理后的板件表面光滑平整，無(wú)劃痕、無(wú)凹坑等現(xiàn)象；板件外觀為乳白色，干凈整潔，無(wú)污點(diǎn)，表面無(wú)多余物，肉眼觀察，看不到大于20 μ的硬粒子和脫落粒子，板件具有一定的韌性，可按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行機(jī)加尺寸300 mm×300 mm×5 mm。

采用三坐標(biāo)系儀器測(cè)試正十四烷相變復(fù)合材料板件的平面度，在公差0.2 mm范圍內(nèi)，其平面度測(cè)試情況直觀反應(yīng)見(jiàn)圖6，橙黃色的表示偏離的平面度較大，綠色的表示偏離的平面度較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.1 正十四烷板件的循環(huán)穩(wěn)定性分析

利用相變儲(chǔ)能進(jìn)行熱控時(shí)，相變材料處于反復(fù)融化/凝固過(guò)程中，以實(shí)現(xiàn)吸熱/放熱的循環(huán)。熱控用相變材料則要求，在反復(fù)吸熱/放熱之后，材料相變溫度與相變潛熱能夠保持穩(wěn)定，以保證熱控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

采用DSC法測(cè)熱循環(huán)前后相變材料的相變溫度和相變潛熱。測(cè)試條件溫度范圍－25～20～－25℃為一個(gè)周期，N2氣氛中，速率5℃/min，循環(huán)1010次。

圖6 正十四烷平面度測(cè)試結(jié)果Fig.6 The flatness test of n-Tetrad cane

其結(jié)果為，起始熔融狀態(tài)的相變溫度約為7.86℃；第1010次后，熔融狀態(tài)的相變溫度約為7.95℃，相變點(diǎn)漂移約0.09℃，符合熔融1000次后，相變點(diǎn)漂移不超過(guò)1℃的要求。上述分析結(jié)果表明，在相變材料熱性能方面，正十四烷作為潛熱儲(chǔ)存材料具有很好的熱穩(wěn)定性。

2.2.2 正十四烷板件的真空揮發(fā)性測(cè)試

相變材料在空間環(huán)境中通常會(huì)產(chǎn)生質(zhì)損(Mass Loss，ML)現(xiàn)象，質(zhì)損產(chǎn)生的可凝物可能會(huì)對(duì)衛(wèi)星敏感器件產(chǎn)生污染，是一種潛在的污染源[34]。測(cè)試條件參照真空中材料揮發(fā)性能的測(cè)試方法[35]，樣品恒溫恒濕24 h，溫度23℃，相對(duì)濕度45%，樣品真空放氣24 h，溫度50℃，真空度優(yōu)于7x10－3Pa，收集板溫度25℃，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 正十四烷板件真空揮發(fā)性能測(cè)試結(jié)果Table 1 The vacuum volatility performance of n-Tetrad cane plate

測(cè)試結(jié)果表明，所制備樣件的可凝揮發(fā)物(CVCM/%)滿足要求，但是總質(zhì)損(TML/%)較高，即使對(duì)樣件進(jìn)行真空加熱預(yù)處理后仍有較高的質(zhì)量損失，其主要原因是相變材料正十四烷在高真空且加熱的條件下?lián)]發(fā)損失。

3 相變復(fù)合材料成型工藝改進(jìn)

利用相變儲(chǔ)能進(jìn)行熱控時(shí)，存在封裝困難、易發(fā)生泄露和熱導(dǎo)率低等問(wèn)題。因此，為了更好地利用相變材料實(shí)現(xiàn)熱控，有必要對(duì)新型熱控相變材料進(jìn)行成型工藝改進(jìn)及其熱性能進(jìn)行研究。

3.1 表面封裝技術(shù)研究

前面實(shí)驗(yàn)中，由于裸漏的正十四烷板件真空揮發(fā)性測(cè)試總質(zhì)損(TML/%)達(dá)不到小于1%的技術(shù)要求，故采取對(duì)正十四烷板件表面進(jìn)行封裝處理。經(jīng)試驗(yàn)研究，探索出封裝處理的方式有噴涂環(huán)氧素質(zhì)涂層法、貼聚酰亞胺膜法、貼鋁膜法。噴涂法因環(huán)氧樹(shù)脂粘液在正十四烷板件表面形成球狀小顆粒不鋪展，不被正十四烷板面所吸收，此方法封裝不成功；貼鋁膜法，用硅橡膠將鋁膜粘貼在板面上(圖7(a))，放置一段時(shí)間后鋁膜鼓包，達(dá)不到表面封裝目的；貼聚酰亞胺膜法直接將聚酰亞胺膜貼平整地貼在正十四烷板件面上，板件光亮如鏡、密封效果良好。表面封裝聚酰亞胺膜法既克服了噴涂法的膠液不吸收缺點(diǎn)，也避免了貼鋁膜與膠不粘結(jié)鼓起等現(xiàn)象，為最佳封裝方式。圖7所示。

圖7 表面封裝處理后的正十四烷板件Fig.7 The n-Tetrad cane piece after surface sealing process

表面密封后的相變復(fù)合材料除了滿足較低的真空揮發(fā)性不泄露外，本身還需具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，具有一定的抗震性能等，因此，選擇貼聚酰亞胺膜法作為最優(yōu)的表面密封處理方式。貼聚酰亞胺膜后的正十四烷板件經(jīng)加熱預(yù)處理后，最后測(cè)試的總質(zhì)損(TML%)為0.86%，如表1。

3.2 導(dǎo)熱率增強(qiáng)技術(shù)研究

石蠟類相變材料熱導(dǎo)率較低，傳熱性能差，不利于進(jìn)行熱控。因此，為提高正十四烷熱導(dǎo)率，在其微膠囊成型過(guò)程中添加不同的導(dǎo)熱填料，有鋁粉(Al粉)、氮化鋁粉(AlN粉)、高導(dǎo)熱碳粉(C粉)及碳纖維(C纖維)，見(jiàn)下圖8。將正十四烷復(fù)合相變材料板件機(jī)加Φ50.8 mm，厚5 mm圓片進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試，如表2。

圖8 添加不同導(dǎo)熱填料后的相變材料樣件Fig.8 The phase-change compound material with different heat filling materials

表2 含量均為20%時(shí)不同的導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱情況Table 2 Heat transfer of different heat-filling materials at 20%content

從表2看出，當(dāng)導(dǎo)熱填料均為20%，添加碳纖維填料時(shí)導(dǎo)熱增強(qiáng)最明顯，達(dá)到0.60 W/(m·k)以上，其次是添加C粉，添加AL粉和ALN粉后材料二者的導(dǎo)熱增強(qiáng)基本相當(dāng)，沒(méi)有明顯的差別。由于碳纖維能起到較好的導(dǎo)熱增強(qiáng)作用，但在微膠囊包覆工藝中，成梳狀的碳纖維易抱團(tuán)，導(dǎo)致微膠囊顆粒團(tuán)聚，相比較而言，碳粉能均勻分散到微膠囊成型中，包覆后的微膠囊顆粒大小均勻。因此，添加10%的碳纖維和10%的碳粉混合物作為相變材料的導(dǎo)熱填料，結(jié)果表明，定型后的正十四烷板件熱導(dǎo)率提高到0.48 W/(m·k)。

通過(guò)DSC測(cè)試，相變溫控裝置的相變溫度點(diǎn)8.98℃，相變焓值92 J/g，降低了12%(不含導(dǎo)熱填料焓值104 J/g)。熔融10次后，相變點(diǎn)漂移0.1℃。結(jié)果表明，導(dǎo)熱填料的添加既大幅度提高了材料的導(dǎo)熱能力，同時(shí)對(duì)相變材料的儲(chǔ)熱能力和相變溫度幾乎不造成影響。

4 穩(wěn)定性分析

航天器除了要經(jīng)歷發(fā)射階段的力學(xué)環(huán)境外，還要考慮空間環(huán)境對(duì)相變熱控材料的面影響，其中對(duì)熱控材料的功能和性能影響較大的環(huán)境有真空、高低溫交變、太陽(yáng)紫外輻射、粒子輻射、原子氧侵蝕等[24]。針對(duì)正十四烷低溫相變熱控材料，主要從力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)和熱真空實(shí)驗(yàn)兩大方面進(jìn)行研究。

4.1 力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)

4.1.1 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲C明相變裝置組件承受力學(xué)振動(dòng)環(huán)境并能正常工作的能力，組件為平板件，尺寸為300 mm×300 mm×5 mm。

振動(dòng)實(shí)驗(yàn)分正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)條件分別見(jiàn)表3和表4，其中正弦振動(dòng)掃描速率2 oct/min；隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間2min/軸向。相變裝置組件的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9。

圖9 相變裝置組件振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Vibration platform for Phase-change assembly

表3 通用正弦振動(dòng)譜Table 3 The general sine-vibration spectrum

表4 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)Table 4 Magnitude of random-vibration assay

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)狀況來(lái)看，無(wú)論是正弦振動(dòng)，還是隨機(jī)振動(dòng)，平板件現(xiàn)場(chǎng)無(wú)異?，F(xiàn)象；從實(shí)驗(yàn)后試件的形態(tài)看，整體無(wú)明顯變化，復(fù)合材料和粘貼層無(wú)明顯變化。

4.1.2 沖擊實(shí)驗(yàn)

目的是驗(yàn)證組件承受沖擊環(huán)境并能正常工作的能力。組件沖擊實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表5。其沖擊裝置見(jiàn)下圖10，分別為水平面沖擊和垂直面沖擊。

表5 沖擊響應(yīng)譜實(shí)驗(yàn)（Q＝10）Table 5 Impact response spectrum assay（Q＝10）

本實(shí)驗(yàn)考察的是鑒定級(jí)別。試驗(yàn)結(jié)束后，板件完好，未開(kāi)裂未破損，表明能承受起上述條件下力學(xué)破壞。

4.2 空間環(huán)境實(shí)驗(yàn)

基于上述做過(guò)力學(xué)測(cè)試的同一編號(hào)的相變材料，開(kāi)展相關(guān)空間環(huán)境實(shí)驗(yàn)研究。

4.2.1 熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)

圖10 正十四烷板件的沖擊實(shí)驗(yàn)Fig.10 Impact test of n-Tetrad cane plate

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱吮┞队捎诓牧虾椭圃熨|(zhì)量的缺陷造成的早期故障，并驗(yàn)證其性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)條件是正常環(huán)境壓力下，試驗(yàn)溫度－35～50℃、循環(huán)30次，溫度升降速率為5℃/min，停留時(shí)間合計(jì)2 h。

實(shí)驗(yàn)采用恒溫恒濕箱高低溫交替，控溫點(diǎn)設(shè)在每個(gè)相變材料外表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，目測(cè)正十四烷板件無(wú)變型、未裂痕。

4.2.2 熱真空實(shí)驗(yàn)

熱真空實(shí)驗(yàn)的目的同熱循環(huán)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)件固定方式如圖11。

實(shí)驗(yàn)條件是壓力不大于1.3×10－3Pa，試驗(yàn)溫度－35～50℃、循環(huán)3次，溫度平均變化率不小于1℃；停留時(shí)間合計(jì)2 h。

熱真空循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置為KM1空間工程模擬器，高低溫交替循環(huán)結(jié)束后，目測(cè)正十四板件無(wú)變型、無(wú)裂痕跡象。

圖11 熱真空循環(huán)實(shí)驗(yàn)Fig.11 Thermal vacuum circulation test

4.2.3 帶電粒子輻照實(shí)驗(yàn)

在上述完成振動(dòng)、沖擊、熱循環(huán)和熱真空實(shí)驗(yàn)后，開(kāi)展具有破壞性的帶電粒子輻照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件是輻照源60C0(γ射線)；等同于壽命15年的GEO軌道衛(wèi)星，2.24×107rad(si)。

樣件在裸露情況下輻照，實(shí)驗(yàn)溫度23.0℃，采用BFT-Ⅱ輻照裝置，實(shí)驗(yàn)中樣件的吸收劑量(202.42～224.19)KGy。

輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，與輻照試驗(yàn)前相比樣件完整無(wú)破損，表面無(wú)裂痕，圖12所示。

圖12 正十四烷板件輻照實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比Fig.12 Comparison of n-Tetrad cane plate before and after irradiation

5 結(jié)論

針對(duì)航天器對(duì)低溫相變材料的熱控需求，開(kāi)展了基于正十四烷為代表的低溫相變材料微膠囊包覆和微膠囊相變復(fù)合成型研究，解決了表面密封和導(dǎo)熱增強(qiáng)兩個(gè)問(wèn)題，在不影響相變材料的儲(chǔ)熱能力和不改變相變溫度的條件下，提高了正十四烷相變裝置的穩(wěn)定性，降低了真空總質(zhì)損率。

依據(jù)航天器熱控系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)條件，對(duì)微膠囊相變復(fù)合成型的相變熱控裝置，分別通過(guò)了鑒定級(jí)的隨機(jī)振動(dòng)、力學(xué)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，完成了熱真空、熱循環(huán)和輻照環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)考核，表明了相變材料在載人航天熱控吸系統(tǒng)上有較好的穩(wěn)定性，為低溫相變材料的應(yīng)用提供了試驗(yàn)參考。

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Study on Phase Change Materials based on n-Tetrad Cane and Microencapsulation Technology

WANG Ruijie1，JIN Zhaoguo1，DING Ting2，ZHOU Qing1，ZHAN Wanchu1
(1.Aerospace Institute of Advanced Materials＆Processing Technology，Beijing 100074，China；2.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100086，China)

To meet the needs of the phase change heat transfer enhancement technology and the technical requirements of the thermal control system of spacecrafts，the microencapsulated phase change technology and phase change temperature control device were studied in low temperature phase change materials represented by n-Tetrad cane.The thermal stability and reliability of phase change materials applied in thermal control field was improved via surface sealing process and thermal conduction enhancement treatment.According to the on-orbit test conditions of the thermal control system in manned spacecraft，verification was made through environmental tests including thermal-vacuum，irradiation，and thermal cycling tests.Mechanical tests，including random vibration，sinusoidal vibration and impact experiments were also conducted.The study may provide a new technical route to realize light-weight，high efficiency and high precision thermal control system for manned spacecrafts.

n-Tetrad cane phase change materials；microencapsulation technology；temperature control device；mechanical test；thermal vacuum test

V7

A

1674-5825(2015)03-0249-08

2014-07-28；

2015-04-20

王瑞杰(1982－)，女，碩士，工程師，研究方向?yàn)橄嘧儾牧涎兄啤-mail:muyizi1983＠163.com