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空間飛行器用電線電纜絕緣材料
綜述了空間飛行器上常用的電線電纜絕緣材料一聚硅氧烷、含氟彈性體、聚酰亞胺的性能．空間飛行環境對絕緣材料的要求和這三類材料的優缺點，尤其是耐原子氧的性能進行了比較，含氟彈性體如氟化乙丙烯橡膠(FEP)受原子氧侵蝕zui輕，具有較強的耐原子氧能力。指出了新型空間飛行器用電線電纜絕緣材料的研究開發方向。
關鍵詞：電線電纜；絕緣材料；聚硅氧烷；含氟彈性體；聚酰亞胺；空間飛行器
1 前言
由于空間飛行器所處的特殊環境，對電線電纜絕緣材料的性能提出了特殊的要求ul。除了要求具有優良的電氣絕緣性能、質輕、低燃(或不燃)、耐高低溫、優異的力學性能外，還要求很低的真空脫氣性、很高的耐原子氧和耐輻射等性能。
2 材料的種類
空間飛行器用電線電纜常用的有機高分子聚合物為聚硅氧烷、含氟彈性體和聚酰亞胺等。表1給出了這三類材料的部分性能。
這三類材料*的分子結構決定了它們均具有優良的機械性能、耐熱性、耐氧化性以及電絕緣性能[2-6]o聚硅氧烷具有優異的耐電流超載能力。無論在燃燒時或燃燒后都能維持耐電流超載能力盯]。但是聚硅氧烷材料的真空脫氣性較差、抗切斷能力不高，它zui大的缺點是可燃，且燃燒時有煙生成，從而限制了其應用。
雖然含氟彈性體的介電常數是zui低的(3．0以下)，但是燃燒時會釋放出劇毒和強腐蝕性的氟化氫氣體，給儀器設備和宇航員造成很大威脅，還由于其密度大，制成的絕緣材料比較重，耐輻射性能也不是很理想，耐寒性較差，價格也較高，這些在一定程度上限制其在空間飛行器上的應用。
在空間飛行器上應用zui多的電絕緣材料是聚酰亞胺，例如采用Kapton 聚酰亞胺薄膜繞包的電線電纜在飛行器的艙內艙外都用到它。在這三類材料中，聚酰亞胺的耐輻射性能，密度zui小，可大大減輕電線電纜的重量和空間。但是Kapton。易被原子氧侵蝕，而且耐電弧能力差。
3 耐原子氧性能
美國航空航天局(NASA)對現有的絕緣材料在空間環境下長時間暴露實驗表明，原子氧、紫外輻射、離子輻射、冷熱循環、微流星撞擊等對材料都有損害，其中以原子氧的侵蝕zui為嚴重。表2列出了不同絕緣材料的耐原子氧性能。
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3．1 聚硅氧烷
聚硅氧烷材料在低空間軌道中受原子氧的侵蝕率并不高，其原因是聚硅氧烷表面暴露于原子氧后，生成一薄層耐原子氧的氧化硅，它可以保護下面材料不受進一步的損害[12]。Scialdone等n 的元素分析結果表明，RTV一615硅橡膠在空間環境下長時間暴露的迎風表面，c含量減少，si含量不變，O含量增加了一倍。氧化收縮導致表面層有裂紋，原子氧可以由此擴散到材料內層，進一步侵蝕內層聚合物，因此聚硅氧烷不適合作耐原子氧壁壘。
3．2 含氟彈性體
實驗結果表明，氟化乙丙烯橡膠( P)受原子氧侵蝕zui輕，具有較強的耐原子氧能力。這可能與FEP結構中(見圖1)鍵能高和側基保護有關。FEP中c—c鍵能4．3eV，C—F鍵能高達5．5eV，而聚乙烯的c—c鍵能為3．9eV。FEP的側基(一CF，、一F)及其高的鍵能保護了主鏈。不然FEP暴露于原子氧環境中時，其侵蝕率應該與聚乙烯接近，而實際上FEP遠比聚乙烯的侵蝕率小，因此推測側基c—F鍵的斷裂是FEP受原子氧損害的主要機理。在低地球軌道環境中只有30％的原子氧具有5．5eV這么高的能量，所以FEP的侵蝕率較低。
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圖1 Teflon FEP的分子結構示意圖
3．3 聚酰亞胺
聚酰亞胺的結構決定了在有原子氧存在的情況下它很容易受到侵蝕。在原子氧動能4．5ev時，如果將0．1mm厚的Kapton。聚酰亞胺暴露于空間站艙外，約400天就會被侵蝕掉；在zui大原子氧流時，Irma厚的Kapton。聚酰亞胺三年就會侵蝕完[15l。
由于聚酰亞胺受原子氧侵蝕較為嚴重，單獨用于空間環境時壽命較短。然而目前它又是空間飛行器中*的材料，為了使之不受原子氧的侵蝕或減少其破壞程度，人們對聚酰亞胺的改性或涂層修飾都作了很多研究[16．17]例如將SiOx、SiO 、A1：O3噴濺沉積到Kapton。聚酰亞胺薄膜上。可以防止原子氧的氧化。在聚酰亞胺高分子結構內引入硅氧鍵也可以提高其對原子氧的抵抗能力。表3給出了原子氧對改性后的聚酰亞胺的侵蝕率。
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4 新的材料的研究與開發
上述三類材料各有優缺點，將這三種材料混合使用或相互共混、共聚改性是研究開發新型絕緣材料的方向。如有機硅一聚酰亞胺共聚物，既具有無機硅優異的耐高溫性和耐候性，又具有聚酰亞胺的韌性和強度，不僅克服了聚酰亞胺的脆性和難以加工的特點，也避免了有機硅強度低、易燃燒的缺點。該樹脂的介電常數為2．9(1kHz)，限氧指數達到46％，而密度只有1．18kg／cm 。這種混合樹脂*可以應用于單一聚合物不能使用的場合。
鑒于聚酰亞胺耐電弧能力差， 目前NASA致力于尋找替代材料。實驗發現，一種聚酰亞胺帶和聚四氟乙烯層結合的絕緣結構可以明顯地改進耐電弧性能。這種結構的電線可以阻斷在電弧蔓延過程中由于熱降解而生成碳的途徑，同時在很寬的溫度范圍內能保持其機械性能，具有耐久性好、燃燒時發煙量小、便于安裝、有多種來源和一定的產量等特點，作為宇航電線已經得到NASA的認可