碳纖維基底真空沉積涂層耐溫度循環(huán)性能加速試驗方法研究

翁藝航，趙志杰，魏 銘，葉志彪，高一丹

（1.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2.北方自動控制技術(shù)研究所，太原 030006；3.中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 610209）

0 引言

天線反射器等航天產(chǎn)品在軌會經(jīng)歷復(fù)雜的空間環(huán)境，尤其是頻繁的高低溫循環(huán)對產(chǎn)品內(nèi)在強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度的影響更為明顯。某型號衛(wèi)星微波探測類載荷天線反射器采用碳纖維材質(zhì)，在軌需要同時滿足熱控和電性能要求，對其涂層的指標(biāo)要求有：在軌運行過程中涂層表面不發(fā)生開裂、起泡、起皮或脫落等，太陽吸收比為0.25～0.35，發(fā)射率與太陽吸收比的比值（發(fā)射吸收比）為0.9～1.2。據(jù)現(xiàn)有研究，采用磁控濺射法和電子束蒸發(fā)鍍制法在碳纖維基底上依次鍍制NiCr 層、Al 層和SiO層的涂層結(jié)構(gòu)可以保證產(chǎn)品性能滿足在軌初期工作需求。

對于碳纖維基底真空沉積涂層而言，由于基底與涂層之間以及各涂層材料之間存在線膨脹系數(shù)差，長期的高低溫循環(huán)會使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱應(yīng)力；當(dāng)熱應(yīng)力足夠大時，涂層可能發(fā)生開裂、脫落等，影響天線反射器在軌工作的精度和壽命。因此，有必要開展地面試驗研究，特別是進(jìn)行碳纖維基底真空沉積涂層耐溫度循環(huán)研究，以確保涂層經(jīng)歷頻繁高低溫循環(huán)后的性能仍然可以滿足在軌工作需求。

1 研究背景

在軌壽命3 年、軌道周期約為90min 的低地球軌道航天器將承受約17500 次的高低溫循環(huán)。如果完全按照在軌條件開展產(chǎn)品的溫度循環(huán)試驗會耗費大量的時間、經(jīng)費和人力物力，而采用溫度循環(huán)加速壽命試驗可以有效解決這個問題。

自1967 年美羅姆航展中心首次提出加速壽命試驗方法以來，該方法已成功應(yīng)用于軍事、航空、航天等相關(guān)領(lǐng)域，國內(nèi)外也相繼開展了溫度循環(huán)加速試驗的相關(guān)研究。例如：針對衛(wèi)星產(chǎn)品樣本少、設(shè)計壽命長、失效模式復(fù)雜等特點提出基于激活能預(yù)估的加速壽命試驗方法；綜合考慮溫變范圍和溫變速率的影響，建立和求解循環(huán)試驗中的加速因子模型；針對溫度循環(huán)中的溫變范圍、溫變速率和循環(huán)次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)開展分析，比較相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)中各參數(shù)的差異；基于修正的Coffin-Manson 模型建立相應(yīng)的加速因子模型，分析溫變范圍、循環(huán)頻率及最高溫度對產(chǎn)品壽命的綜合影響。大量研究和試驗表明，開展溫度循環(huán)加速壽命試驗的關(guān)鍵是建立加速因子模型及求解加速因子。

2 加速因子模型建立

圖1 所示為一條典型的地面試驗溫度循環(huán)曲線，循環(huán)的最高溫度為，最低溫度為。

圖1 溫度循環(huán)曲線Fig.1 Temperature cycle curve

目前，修正的Coffin-Manson 模型10-11]已經(jīng)在溫度循環(huán)試驗中成功應(yīng)用，適用于機(jī)械失效、材料變形等情景分析，其模型表達(dá)式為

式中：為材料所能耐受的溫度循環(huán)次數(shù)；為比例因子；為溫變范圍常數(shù)；為循環(huán)頻率常數(shù)；Δ為溫變范圍，K；為循環(huán)頻率，min；為溫度循環(huán)中的最高溫度，K；為材料激活能，eV；為玻耳茲曼常數(shù)，=8.617×10eV/K。

以下標(biāo)r 和a 分別標(biāo)記實際溫度循環(huán)應(yīng)力和加速溫度循環(huán)應(yīng)力對應(yīng)的參數(shù)，則根據(jù)Coffin-Manson模型，在溫度循環(huán)加速壽命試驗中，加速因子為

可以看到，Coffin-Manson 模型考慮了溫度變化范圍、溫度循環(huán)頻率及溫度循環(huán)最高溫度等多種因素影響，能夠綜合反映各參數(shù)與溫度循環(huán)試驗壽命的關(guān)系。但模型中包括多項參數(shù)，其中激活能表征產(chǎn)品的失效機(jī)理，是反映加速因子的關(guān)鍵因素，需要通過大量試驗驗證獲取。對于天線反射器等航天產(chǎn)品而言，并沒有足夠的樣本量可用于激活能的推導(dǎo)，且碳纖維基底真空沉積涂層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此Coffin-Manson 模型在涂層耐溫度循環(huán)試驗中并不適用。

考慮到航天產(chǎn)品批量小、造價昂貴且可靠性要求高，在QJ3138—2001《航天產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選指南》中提出將航天產(chǎn)品的環(huán)境試驗（含環(huán)境應(yīng)力篩選）與可靠性試驗結(jié)合，通過環(huán)境篩選來保證產(chǎn)品的可靠性。該標(biāo)準(zhǔn)提出溫度循環(huán)是最有效的篩選應(yīng)力，且溫度循環(huán)激發(fā)出的主要故障模式包括使涂層可能存在的微裂紋擴(kuò)大甚至產(chǎn)生開裂、脫落，正是本文研究的問題。

該標(biāo)準(zhǔn)提出的溫度循環(huán)篩選應(yīng)力強(qiáng)度計算式為

式中：Δ表示溫變范圍，℃；表示平均溫變速率，℃/min。為了確保溫度循環(huán)加速試驗?zāi)軌蛴行Х从惩繉訉嶋H在軌耐溫度循環(huán)的能力，須確保加速溫度循環(huán)應(yīng)力下的篩選應(yīng)力強(qiáng)度與實際溫度循環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度一致，即

因此，本文基于環(huán)境應(yīng)力篩選建立溫度循環(huán)加速因子模型

式中：Δ表示地面試驗時采用的加速溫度循環(huán)應(yīng)力的溫變范圍，Δ=?，℃；Δ表示產(chǎn)品在軌實際經(jīng)歷的溫度循環(huán)應(yīng)力的溫變范圍，Δ=?，℃；表示地面試驗時采用的加速溫度循環(huán)應(yīng)力的平均溫變速率，℃/min；表示產(chǎn)品在軌實際經(jīng)歷的溫度循環(huán)應(yīng)力的平均溫變速率，℃/min。

式(6)的2 個相乘項，前者只與溫變范圍有關(guān)，后者只與溫變速率有關(guān)，體現(xiàn)了溫度循環(huán)是溫變范圍和溫變速率共同作用的結(jié)果。

3 試驗設(shè)計

為滿足某型號衛(wèi)星微波探測類載荷長期在軌探測需求，天線反射器碳纖維基底表面真空沉積涂層需保證至少在軌高可靠工作8 年。已有數(shù)據(jù)表明，該天線實際在軌工作溫度范圍為-40～50℃（Δ=90℃），經(jīng)歷1 次溫度循環(huán)約需101min，在軌工作8 年相當(dāng)于經(jīng)歷=41631.68 次溫度循環(huán)。

結(jié)合現(xiàn)有試驗設(shè)備設(shè)定的涂層溫度循環(huán)加速壽命試驗條件為：溫變范圍-45～70℃（ΔTa=115℃），高低溫度轉(zhuǎn)換時間少于1.5min，溫變速率高于76.6℃/min。

那么，根據(jù)式(6)計算得到所設(shè)計溫度循環(huán)加速試驗的加速因子為

繼而求得加速試驗的溫度循環(huán)次數(shù)應(yīng)為

此結(jié)果表明，加速試驗溫度循環(huán)次數(shù)為1462.3時對應(yīng)碳纖維基底表面真空沉積涂層在軌工作8 年。據(jù)此，加速試驗中將溫度循環(huán)1470～1500 次作為考核節(jié)點，累計進(jìn)行2000 次溫度循環(huán)。

為更好地考核高低溫循環(huán)條件下真空沉積涂層在不同曲率、尺寸碳纖維基底表面的附著能力和工作性能，制備了幾種不同的試驗樣件（參見表1），其中全曲率試件采用天線反射器制作模具制備，曲率與實際產(chǎn)品一致，厚度為30mm；平面試件與小試片的厚度均為1mm。完成真空沉積涂層鍍制的試件如圖2 所示。在試件背面粘貼共計6 個溫度傳感器便于實時監(jiān)測試件溫度變化。試驗開始前進(jìn)行不少于30min 的設(shè)備預(yù)冷預(yù)熱后，在室溫、正常大氣壓條件下，將粘貼了溫度傳感器的試件隨試驗工裝放入試驗箱中，閉箱后首先進(jìn)行10min 左右的高溫烘箱，以確保有效去除試件內(nèi)殘存的水汽，然后打開設(shè)備低溫室風(fēng)門，待不少于4 個溫度傳感器顯示試件溫度下降至-45℃后，關(guān)閉低溫室風(fēng)門打開高溫室風(fēng)門，待不少于4 個溫度傳感器顯示試件溫度上升至70℃后，關(guān)閉高溫室風(fēng)門再次打開低溫室風(fēng)門，如此為1 次溫度循環(huán)；累計進(jìn)行2000 次循環(huán)。

圖2 涂層鍍制后的試件Fig.2 Samples after coating preparation

表1 試驗樣件配套表Table 1 List of test samples

根據(jù)航天器熱控涂層相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，應(yīng)分別在試驗前及試驗進(jìn)行至第10、20、30、50、80、100、150、200、300、500、800 和1500 次循環(huán)時將試件取出進(jìn)行太陽吸收比和發(fā)射率測試，同時進(jìn)行涂層外觀檢查、拍照記錄試件表面狀態(tài)，確認(rèn)試件涂層沒有出現(xiàn)肉眼可見的起泡、開裂和脫落后，方可繼續(xù)進(jìn)行后面的試驗；完成所有2000 次試驗后，再最后對試件進(jìn)行涂層外觀檢查、拍照記錄試件表面狀態(tài)，并測試太陽吸收比和發(fā)射率。

4 試驗結(jié)果

實際試驗時，在試驗開始前及試驗進(jìn)行至第10、20、 30、 50、 77、 101、 148、 212、 314、 495、 785、1475 和2000 次循環(huán)時將試件取出進(jìn)行涂層外觀檢查，以及太陽吸收比和發(fā)射率的測試。

全曲率試件、平面試件和小試片的涂層熱控性能測試結(jié)果如圖3 所示，其中數(shù)據(jù)曲線依據(jù)每種試件全部樣品的測試數(shù)據(jù)平均值繪制。結(jié)果顯示：經(jīng)相應(yīng)次數(shù)試驗后，所有試件表面涂層均未出現(xiàn)起泡、開裂或脫落等；試件的太陽吸收比為0.25～0.31，滿足指標(biāo)要求（0.25～0.35）；發(fā)射吸收比為1.00～1.19，滿足指標(biāo)要求（0.9～1.2）。其中循環(huán)次數(shù)為1475 次即對應(yīng)已超過可等效模擬在軌8 年壽命的1462.3 次循環(huán)，因此判定該真空沉積涂層具備優(yōu)異的耐溫度循環(huán)性能，能夠滿足8 年在軌可靠工作的需求。

圖3 試件涂層熱控性能測試結(jié)果Fig.3Test results of thermal control performances of the coatedsamples

5 結(jié)束語

理論分析及溫度循環(huán)加速試驗結(jié)果表明，碳纖維基底真空沉積涂層試件無起泡、開裂和脫落等缺陷產(chǎn)生，太陽吸收比為0.25～0.31，發(fā)射吸收比為1.00～1.19，均滿足指標(biāo)要求，可以判定采用真空沉積法在碳纖維基底表面鍍制的涂層能夠滿足某型號產(chǎn)品在軌8 年經(jīng)歷頻繁溫度循環(huán)后仍可靠工作的需求，具有良好的在軌應(yīng)用前景。