太陽(yáng)帆是十分有利于深空探測(cè)的一種新型飛行器，帆面采用超輕薄的薄膜材料，提高飛行器的推進(jìn)性能。帆面材料長(zhǎng)期暴露在空間，由于長(zhǎng)期受到空間粒子輻射環(huán)境的影響，性能發(fā)生退化影響在空間的應(yīng)用。研究空間電子與薄膜相互作用的機(jī)理，分析電子沉積劑量，通過(guò)地面模擬不同劑量的空間電子輻照環(huán)境，對(duì)輻照后新型超薄帆面材料力學(xué)性能的研究，滿足太陽(yáng)帆在空間應(yīng)用要求。結(jié)果表明: 超薄聚酰亞胺薄膜材料，在厚度及輻照力學(xué)性能得到了較大的突破，但斷裂伸長(zhǎng)率仍需提升，電子輻照后性能略有下降，耐輻照性能也需進(jìn)一步提高。

引言

　　太陽(yáng)帆航天器是利用太陽(yáng)在大面積薄膜上的反射光壓提供航天器飛行動(dòng)力的新型飛行器。其可以在太陽(yáng)光壓作用下持續(xù)加速，十分有利于深空探測(cè)。太陽(yáng)帆的結(jié)構(gòu)質(zhì)量要盡可能輕，即太陽(yáng)帆面薄膜需采用超輕薄材料，才能最大程度提升太陽(yáng)帆的推進(jìn)性能。由于帆面薄膜材料長(zhǎng)期暴露在空間中，受空間粒子輻射環(huán)境的影響性能發(fā)生退化，影響了太陽(yáng)帆在空間運(yùn)行的可靠性。

　　空間粒子輻射環(huán)境主要來(lái)自地球輻射帶、太陽(yáng)宇宙射線、銀河宇宙射線等，其成分是質(zhì)子、電子及少量重離子。電子作為主要成分，對(duì)材料的性能影響最顯著。針對(duì)8 μm 厚的新型超薄聚酰亞胺薄膜材料，研究電子與薄膜材料相互作用機(jī)理，進(jìn)行了電子沉積劑量的分析，通過(guò)對(duì)地面模擬電子輻照實(shí)驗(yàn)，研究材料力學(xué)性能變化的規(guī)律，確定薄膜材料能否滿足空間太陽(yáng)帆應(yīng)用需求。

電子輻照能量

　　電子與靶物質(zhì)的相互作用主要有電離能量損失和輻射能量損失。入射電子穿過(guò)靶物質(zhì)時(shí)，使靶原子電離和激發(fā)，將一部分能量轉(zhuǎn)移給核外電子，產(chǎn)生電離損失。電子質(zhì)量輕，入射電子與靶原子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，速度和方向會(huì)發(fā)生很大的改變，產(chǎn)生的電磁輻射稱為軔致輻射。

　　電子垂直入射到一定厚度的介質(zhì)中時(shí)，與介質(zhì)發(fā)生彈性碰撞、非彈性碰撞、散射等物理過(guò)程，逐漸將能量轉(zhuǎn)移給介質(zhì)，沉積在介質(zhì)中或穿透介質(zhì)，電子在無(wú)限厚介質(zhì)平板中的最大射程可由weber 的經(jīng)驗(yàn)由公式( 1) 表示為:

　　式中: Ee為電子能量; R 為入射電子在介質(zhì)中的最大射程; α = 0. 55 g·cm - 2·MeV - 1 ; β = 0. 9841; γ =3 MeV - 1 ; ρ 表示材料的密度。

　　通過(guò)進(jìn)一步分析，當(dāng)電子能量為Ee = 20 keV時(shí)，超薄聚酰亞胺密度ρ = 1. 37 g /cm3，代入公式( 1) 計(jì)算得到電子最大射程R = 8 μm，此時(shí)入射電子基本都沉積在8 μm 厚的聚酰亞胺薄膜內(nèi)。

結(jié)束語(yǔ)

　　(1) 空間電子輻射對(duì)超薄聚酰亞胺主要產(chǎn)生材料輻射總劑量效應(yīng)。輻射環(huán)境下，聚酰亞胺的共價(jià)鍵( C - C 鍵和C - H 鍵) 被激發(fā)或被電離，產(chǎn)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，其物理性能和化學(xué)性能都會(huì)發(fā)生退化，影響材料的性能和壽命;

　　(2) 超輕超薄材料是太陽(yáng)帆表面薄膜未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，新型聚酰亞胺薄膜在膜厚度上取得了突破，且輻照前材料的彈性模量和拉伸強(qiáng)度均滿足空間使用要求，但材料的斷裂伸長(zhǎng)率有待提高，電子輻照后試樣力學(xué)性能有一定程度的下降，材料的抗輻照能力也需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升;

　　(3) 電子輻照聚酰亞胺薄膜會(huì)造成薄膜表面電子聚集，材料表面電位提高，對(duì)材料性能產(chǎn)生一定影響，另外電子輻照過(guò)程中的溫度效應(yīng)并未考慮，應(yīng)在以后開(kāi)展進(jìn)一步的研究。