柔性和剛性材料自修復(fù)技術(shù)在軌試驗(yàn)設(shè)計(jì)

徐嘉慶，馮昱龍，董泰郎，劉宇明，王志浩，崔玉紅*

（1.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

空間環(huán)境存在微流星體和空間碎片等潛在撞擊危險(xiǎn)，可導(dǎo)致航天器或裝備被沖擊而發(fā)生破壞、光敏材料結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化以及航天服織物纖維產(chǎn)生微裂紋乃至穿孔等[1-3]。針對(duì)上述危險(xiǎn)，在航天器或航天服結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中集成可在軌自修復(fù)的材料將增強(qiáng)設(shè)備的可靠性和安全性，延長(zhǎng)在軌使用壽命。因此開(kāi)展空間環(huán)境下的柔性和剛性材料自修復(fù)技術(shù)的研究有著重要意義。

目前，材料自修復(fù)機(jī)制主要采用液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的方式，即通過(guò)聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)修復(fù)。反應(yīng)性液體儲(chǔ)存于聚合物連續(xù)相中的儲(chǔ)液器（如微膠囊或毛細(xì)管）中，以避免與其他反應(yīng)物接觸。當(dāng)施加足夠大的外力時(shí)儲(chǔ)液器壁破裂，液體流入損傷區(qū)域并與其他反應(yīng)物反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為固體聚合物，從而修復(fù)受損區(qū)域并恢復(fù)其機(jī)械性能[4-6]。有的研究致力于尋找自愈合功能材料，Gordon 等[7-8]通過(guò)地面子彈貫穿試驗(yàn)，驗(yàn)證了沙林樹(shù)脂Surlyn 8940 等共聚物材料的自愈合功能，并對(duì)自愈合后的材料傷口進(jìn)行了密封性測(cè)試。其研究表明，沙林樹(shù)脂在中低溫環(huán)境下有良好的自愈合功能，材料被子彈貫穿后，附近材料溫度升高變?yōu)槿廴趹B(tài)并具有彈性，內(nèi)部液態(tài)材料流出后受紫外輻射固化實(shí)現(xiàn)修復(fù)功能，繼而修復(fù)貫穿口。Zavada 等[9]設(shè)計(jì)了硫醇-烯-三烷基硼烷樹(shù)脂，通過(guò)液態(tài)樹(shù)脂聚合反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自愈合，并且完成了子彈貫穿試驗(yàn)，室溫下試驗(yàn)效果良好，穩(wěn)定愈合時(shí)間為24 s 左右。Laptev 等[10]研發(fā)了一種能夠自修復(fù)的可用于輻射防護(hù)的鋯/鈮納米涂層，有助于保護(hù)電子產(chǎn)品，提高核工業(yè)和航天工業(yè)中各種材料的抗輻射能力。

國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了一些自修復(fù)技術(shù)的研究，一種自修復(fù)策略是設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)，將修復(fù)功能液態(tài)材料密封入夾層之間，如剛性或柔性自修復(fù)結(jié)構(gòu)試件[11-13]；另一種策略是將修復(fù)功能液態(tài)材料密封為微膠囊，并將微膠囊嵌入材料內(nèi)部[14-15]，但未見(jiàn)相關(guān)的在軌試驗(yàn)報(bào)道。本文開(kāi)展柔性和剛性材料自修復(fù)技術(shù)在軌試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以推動(dòng)柔性和剛性材料自修復(fù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了順利開(kāi)展柔性和剛性材料自修復(fù)的空間適用性研究，針對(duì)空間站在軌試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)一套在軌試驗(yàn)?zāi)K，并滿足在空間極端環(huán)境下實(shí)施柔性和剛性材料自修復(fù)的條件，作為未來(lái)在軌驗(yàn)證柔性和剛性自修復(fù)材料對(duì)高輻射、溫度交替和高真空等惡劣環(huán)境的適應(yīng)性的基礎(chǔ)。

1.1 自修復(fù)試驗(yàn)?zāi)K

本文設(shè)計(jì)的自修復(fù)試驗(yàn)?zāi)K如圖1 所示，包括面板上固定的4 個(gè)柔性和剛性自修復(fù)材料試件，以及針刺設(shè)備、導(dǎo)線模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。其中，針刺設(shè)備用來(lái)刺破試件（模擬試件被擊穿），導(dǎo)線模塊提供電路連接，數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸試驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)。柔性和剛性自修復(fù)材料試件均為采用多層材料組成的50 mm×50 mm 方形試件。液態(tài)修復(fù)材料（共聚單體丙烯酸）被柔性或剛性材料密封在內(nèi)部，其中柔性材料為聚氯乙烯，剛性材料為沙林樹(shù)脂。為進(jìn)行對(duì)比研究，將試件分為實(shí)驗(yàn)組（A1 和B1）和對(duì)照組（A2 和B2）。

圖1 柔性和剛性材料自修復(fù)試驗(yàn)?zāi)KFig.1 Self-healing test module for flexible and rigid material

柔性和剛性材料的選取需要滿足一定要求，包括：化學(xué)性能穩(wěn)定不易被氧化；物理性能穩(wěn)定，在高溫下力學(xué)性能保持良好。自修復(fù)液體材料須固化后性質(zhì)穩(wěn)定，能用于多種樹(shù)脂類材料的修復(fù)。本研究中選用的柔性材料聚氯乙烯是一種高分子聚合物，具有較小的彈性模量（約35 MPa），且斷裂伸長(zhǎng)率大于200%，具有良好的柔韌性和絕緣性。選用的剛性材料沙林樹(shù)脂是一種熱固性高分子材料，即使在100 ℃下仍保持原有力學(xué)性能，楊氏模量約300 MPa，抗拉強(qiáng)度約30 MPa，具有強(qiáng)度高、耐熱和阻燃性能優(yōu)異等特點(diǎn)[8]

在試驗(yàn)?zāi)K下部設(shè)計(jì)了隱蔽式針刺設(shè)備（圖1中未標(biāo)示），可通過(guò)螺紋旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)拉伸和收縮。該設(shè)備的主要功能是驅(qū)動(dòng)針頭進(jìn)行針刺操作，模擬材料被擊穿。當(dāng)自修復(fù)材料試件被刺穿時(shí)，內(nèi)部自修復(fù)液體材料丙烯酸暴露于紫外環(huán)境下會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)固化形成聚丙烯酸樹(shù)脂，從而修復(fù)傷口來(lái)恢復(fù)材料的整體結(jié)構(gòu)。試件外層設(shè)置有紫外防護(hù)膜，可以防止試件破裂前內(nèi)部修復(fù)材料發(fā)生固化。

試驗(yàn)?zāi)K機(jī)械外包絡(luò)的主體材料采用5A06 鋁合金，其具有強(qiáng)度高和穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，比較適合作為總體裝置的材料，能夠適應(yīng)自修復(fù)試驗(yàn)?zāi)K在發(fā)射時(shí)復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境和在軌試驗(yàn)時(shí)極端的空間軌道環(huán)境[16]。5A06 鋁合金的主要物性參數(shù)為：密度2.63 g·cm-3；彈性模量72 GPa；泊松比0.33；0.2%屈服強(qiáng)度160 MPa。

1.2 柔性自修復(fù)試件

柔性材料是指具有柔軟、可彎曲或可扭曲的幾何形狀和尺寸的材料，通常用于包裝以及服裝密封層等。本文試驗(yàn)用柔性自修復(fù)試件采用分層結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），由上至下依次為柔性第一層、液體修復(fù)材料層、條形柔性密封材料和柔性第二層。柔性第一層和柔性第二層為正方形或圓形的聚氯乙烯片狀結(jié)構(gòu)，厚度為0.8～1.0 mm。液體修復(fù)材料層的厚度也為0.8～1.0 mm，成分為丙烯酸液體，具有高度安全性，即使發(fā)生泄漏，也不存在因溫度突然升高而引起自燃的風(fēng)險(xiǎn)。使用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑配合柔性密封材料將柔性第一層和柔性第二層黏合在一起實(shí)現(xiàn)封閉，這種膠黏劑的黏結(jié)抗剪強(qiáng)度在20～60 MPa 之間。

圖2 柔性自修復(fù)試件結(jié)構(gòu)[11,13]Fig.2 Schematic diagram of flexible self-healing specimen[11,13]

相關(guān)試驗(yàn)表明，該柔性自修復(fù)材料試件可以在自愈合結(jié)構(gòu)被破壞后，對(duì)破損處進(jìn)行修補(bǔ)；修復(fù)后形成的高分子固體聚合物為聚丙烯酸樹(shù)脂，抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度可達(dá)20 MPa，表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。此外，該試件結(jié)構(gòu)具備一定的柔韌性，可以承受較大的變形。該結(jié)構(gòu)通過(guò)排列多個(gè)相互嵌套的樹(shù)脂條帶，不僅可節(jié)約液體修復(fù)材料的用量，還能實(shí)現(xiàn)柔性自修復(fù)結(jié)構(gòu)試件的重復(fù)利用[11-12]。

1.3 剛性自修復(fù)試件

剛性材料是指具有固定的幾何形狀和尺寸的材料，通常用于支撐結(jié)構(gòu)或固定其他物體。本文試驗(yàn)用剛性自修復(fù)試件采用層狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），由上至下依次為剛性第一層、液體修復(fù)材料層、條形剛性密封材料和剛性第二層。其中，剛性第一層和第二層均為類似薄片狀的沙林樹(shù)脂制成的正方形或圓形板狀結(jié)構(gòu)，厚度為0.8～1.0 mm。液體修復(fù)材料層的厚度和成分與柔性自修復(fù)試件相同。由沙林樹(shù)脂制成的環(huán)形密封條通過(guò)雙組分環(huán)氧樹(shù)脂與剛性第一層和第二層之間聯(lián)結(jié)黏合，提高了結(jié)構(gòu)的密封強(qiáng)度，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠承受來(lái)自自修復(fù)試驗(yàn)中高強(qiáng)度夾具的壓力。同時(shí)，液體修復(fù)材料可以通過(guò)少量的兩組分環(huán)氧樹(shù)脂膠水進(jìn)行密封，減少了粘接材料的間距，提高了結(jié)構(gòu)的密封強(qiáng)度。

圖3 剛性自修復(fù)試件結(jié)構(gòu)[11,13]Fig.3 Schematic diagram of rigid self-healing specimen[11,13]

相關(guān)試驗(yàn)表明，當(dāng)整個(gè)自修復(fù)結(jié)構(gòu)試件被損壞時(shí)，內(nèi)部液體修復(fù)材料暴露在紫外線環(huán)境中而發(fā)生固化，生成聚丙烯酸樹(shù)脂，通過(guò)固體樹(shù)脂修補(bǔ)傷口從而修復(fù)整個(gè)結(jié)構(gòu)[14-15]。

2 在軌試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

2.1 在軌試驗(yàn)流程

本文設(shè)計(jì)的柔性和剛性材料自修復(fù)在軌試驗(yàn)需要航天員協(xié)助完成。首先，由航天員操縱機(jī)械臂將上述試驗(yàn)?zāi)K掛載在空間站艙外暴露平臺(tái)載荷適配器上；然后，由事先設(shè)定好的程序控制試驗(yàn)?zāi)K自動(dòng)完成在軌試驗(yàn)。在軌試驗(yàn)流程盡量考慮試驗(yàn)過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，從地面啟動(dòng)到確認(rèn)開(kāi)始試驗(yàn)，設(shè)置了電氣、光學(xué)和數(shù)據(jù)記錄等3 層檢測(cè)，在確認(rèn)無(wú)誤后，開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)傳回的有效性。具體試驗(yàn)流程如圖4 所示。

圖4 在軌試驗(yàn)流程Fig.4 Flow chart of on-orbit test program

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

在軌試驗(yàn)使用航天相機(jī)拍攝試驗(yàn)圖像，根據(jù)圖像觀測(cè)記錄材料的自修復(fù)過(guò)程以及完成自修復(fù)所需時(shí)間；其后，每隔1 周時(shí)間記錄在軌試件的圖像數(shù)據(jù)，包括變形、光澤度和顏色等。上述數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部以太網(wǎng)傳輸給數(shù)據(jù)采集器，再由數(shù)據(jù)采集器通過(guò)外部以太網(wǎng)傳輸給飛船，由飛船進(jìn)行天地信息傳輸。飛船與試驗(yàn)?zāi)K之間通過(guò)1553B 接口進(jìn)行指令控制和網(wǎng)絡(luò)配置。最后，通過(guò)在軌數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)的對(duì)比分析獲得完成自修復(fù)以后材料的透氣率和強(qiáng)度等指標(biāo)參數(shù)。

綜合未來(lái)擬開(kāi)展的在軌試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)，制定試件在空間環(huán)境中須達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：自修復(fù)時(shí)間≤30.0 s；試件自修復(fù)后氣密性良好，透氣率為0；試件自修復(fù)后的創(chuàng)傷口處材料抗拉強(qiáng)度≥0.1 MPa。

3 初步試驗(yàn)

試驗(yàn)材料和儀器：5 mL 注射器，直接使用；Surlyn 8940 沙林樹(shù)脂顆粒，美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)室壓片后使用；柔性聚氯乙烯，廣州市賽賽格材料公司生產(chǎn)，直接使用；3M DP125 環(huán)氧樹(shù)脂膠，直接使用；VP-4 單級(jí)真空泵；300 mm×300 mm×300 mm真空箱；LDS-50 電子拉力試驗(yàn)機(jī)；60 W-365 nm 紫外燈。

在實(shí)驗(yàn)室完成了自修復(fù)功能材料的初步模擬試驗(yàn)。首先按照1.2 節(jié)和1.3 節(jié)的要求制作自修復(fù)試件，制作過(guò)程中操作人員須佩戴丁腈手套、臺(tái)面上須放置透明墊片以防止污染試驗(yàn)臺(tái)，用注射器提取儲(chǔ)存在玻璃試管中的液態(tài)修復(fù)功能材料，制作完成的柔性和剛性材料自修復(fù)試件見(jiàn)圖5 中的A1、B1。

圖5 柔性和剛性材料自修復(fù)試件Fig.5 Self-healing specimen for flexible and rigid materials

試驗(yàn)開(kāi)始后，試驗(yàn)人員手持鋼針將試件劃破使得其內(nèi)部液態(tài)修復(fù)材料流出；使用60 W 紫外燈照射液態(tài)修復(fù)材料，模擬空間環(huán)境下的紫外輻照；同時(shí)使用相機(jī)持續(xù)記錄試件圖像及自修復(fù)時(shí)間。圖5 中的試件A2、B2 為修復(fù)試驗(yàn)完成后的試件形貌，可以看到裂口處已被修復(fù)。對(duì)修復(fù)后的試件進(jìn)行氣密性和拉伸試驗(yàn)，獲得其透氣率和抗拉強(qiáng)度。其中：氣密性試驗(yàn)采用真空泵中間連接真空箱對(duì)試件執(zhí)行抽吸，至真空箱氣壓為100 Pa，關(guān)閉真空泵后真空箱氣壓無(wú)增加即表明試件氣密性良好，若真空箱氣壓增加則說(shuō)明試件透氣；然后將修復(fù)后的材料制成20 mm 寬拉伸試驗(yàn)件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)得其抗拉強(qiáng)度。

當(dāng)液態(tài)修復(fù)材料暴露于紫外輻照環(huán)境時(shí)，能在10～15 s 內(nèi)迅速固化，證明了液態(tài)修復(fù)材料具有較快速的修復(fù)功能。修復(fù)后創(chuàng)傷口是高分子聚合物聚丙烯酸樹(shù)脂，高分子聚合物鏈之間能形成多種氫鍵，具有優(yōu)異的柔韌性和高斷裂伸長(zhǎng)率，修復(fù)后材料抗拉強(qiáng)度在20 MPa 左右。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文開(kāi)展了柔性和剛性材料自修復(fù)技術(shù)在軌試驗(yàn)設(shè)計(jì)，制作自修復(fù)材料試件，模擬試件被刺破后自修復(fù)液體流出受紫外光輻照迅速固化以修復(fù)損傷的過(guò)程，同時(shí)觀測(cè)記錄材料自愈合過(guò)程，測(cè)試自修復(fù)后的材料性能。在充分考慮試驗(yàn)過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，描述了開(kāi)展在軌試驗(yàn)的流程，闡述了獲取在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法以及數(shù)據(jù)傳輸方式，提出了自修復(fù)技術(shù)指標(biāo)。