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摘要：综述了空间飞行器上常用的电线电缆绝缘材料一聚硅氧烷、含氟弹性体、聚酰亚胺的性能．空间飞行环境对绝缘材料的要求和这三类材料的优缺点，尤其是耐原子氧的性能进行了比较，含氟弹性体如氟化乙丙烯橡胶(FEP)受原子氧侵蚀最轻，具有较强的耐原子氧能力。指出了新型空间飞行器用电线电缆绝缘材料的研究开发方向。
关键词：电线电缆；绝缘材料；聚硅氧烷；含氟弹性体；聚酰亚胺；空间飞行器
1 前言
由于空间飞行器所处的特殊环境，对电线电缆绝缘材料的性能提出了特殊的要求ul。除了要求具有优良的电气绝缘性能、质轻、低燃(或不燃)、耐高低温、优异的力学性能外，还要求很低的真空脱气性、很高的耐原子氧和耐辐射等性能。
2 材料的种类
空间飞行器用电线电缆常用的有机高分子聚合物为聚硅氧烷、含氟弹性体和聚酰亚胺等。表1给出了这三类材料的部分性能。
这三类材料独特的分子结构决定了它们均具有优良的机械性能、耐热性、耐氧化性以及电绝缘性能[2-6]o聚硅氧烷具有优异的耐电流超载能力。无论在燃烧时或燃烧后都能维持耐电流超载能力盯]。但是聚硅氧烷材料的真空脱气性较差、抗切断能力不高，它最大的缺点是可燃，且燃烧时有烟生成，从而限制了其应用。
虽然含氟弹性体的介电常数是最低的(3．0以下)，但是燃烧时会释放出剧毒和强腐蚀性的氟化氢气体，给仪器设备和宇航员造成很大威胁，还由于其密度大，制成的绝缘材料比较重，耐辐射性能也不是很理想，耐寒性较差，价格也较高，这些在一定程度上限制其在空间飞行器上的应用。
在空间飞行器上应用最多的电绝缘材料是聚酰亚胺，例如采用Kapton 聚酰亚胺薄膜绕包的电线电缆在飞行器的舱内舱外都用到它。在这三类材料中，聚酰亚胺的耐辐射性能最好，密度最小，可大大减轻电线电缆的重量和空间。但是Kapton。易被原子氧侵蚀，而且耐电弧能力差。
3 耐原子氧性能
美国航空航天局(NASA)对现有的绝缘材料在空间环境下长时间暴露实验表明，原子氧、紫外辐射、离子辐射、冷热循环、微流星撞击等对材料都有损害，其中以原子氧的侵蚀最为严重。表2列出了不同绝缘材料的耐原子氧性能。 （图片） 3．1 聚硅氧烷
聚硅氧烷材料在低空间轨道中受原子氧的侵蚀率并不高，其原因是聚硅氧烷表面暴露于原子氧后，生成一薄层耐原子氧的氧化硅，它可以保护下面材料不受进一步的损害[12]。Scialdone等n 的元素分析结果表明，RTV一615硅橡胶在空间环境下长时间暴露的迎风表面，c含量减少，si含量不变，O含量增加了一倍。氧化收缩导致表面层有裂纹，原子氧可以由此扩散到材料内层，进一步侵蚀内层聚合物，因此聚硅氧烷不适合作耐原子氧壁垒。
3．2 含氟弹性体
实验结果表明，氟化乙丙烯橡胶( P)受原子氧侵蚀最轻，具有较强的耐原子氧能力。这可能与FEP结构中(见图1)键能高和侧基保护有关。FEP中c—c键能4．3eV，C—F键能高达5．5eV，而聚乙烯的c—c键能为3．9eV。FEP的侧基(一CF，、一F)及其高的键能保护了主链。不然FEP暴露于原子氧环境中时，其侵蚀率应该与聚乙烯接近，而实际上FEP远比聚乙烯的侵蚀率小，因此推测侧基c—F键的断裂是FEP受原子氧损害的主要机理。在低地球轨道环境中只有30％的原子氧具有5．5eV这么高的能量，所以FEP的侵蚀率较低。（图片）
图1 Teflon FEP的分子结构示意图3．3 聚酰亚胺
聚酰亚胺的结构决定了在有原子氧存在的情况下它很容易受到侵蚀。在原子氧动能4．5ev时，如果将0．1mm厚的Kapton。聚酰亚胺暴露于空间站舱外，约400天就会被侵蚀掉；在最大原子氧流时，Irma厚的Kapton。聚酰亚胺三年就会侵蚀完[15l。
由于聚酰亚胺受原子氧侵蚀较为严重，单独用于空间环境时寿命较短。然而目前它又是空间飞行器中必不可少的材料，为了使之不受原子氧的侵蚀或减少其破坏程度，人们对聚酰亚胺的改性或涂层修饰都作了很多研究[16．17]例如将SiOx、SiO 、A1：O3喷溅沉积到Kapton。聚酰亚胺薄膜上。可以防止原子氧的氧化。在聚酰亚胺高分子结构内引入硅氧键也可以提高其对原子氧的抵抗能力。表3给出了原子氧对改性后的聚酰亚胺的侵蚀率。（图片） 4 新的材料的研究与开发
上述三类材料各有优缺点，将这三种材料混合使用或相互共混、共聚改性是研究开发新型绝缘材料的方向。如有机硅一聚酰亚胺共聚物，既具有无机硅优异的耐高温性和耐候性，又具有聚酰亚胺的韧性和强度，不仅克服了聚酰亚胺的脆性和难以加工的特点，也避免了有机硅强度低、易燃烧的缺点。该树脂的介电常数为2．9(1kHz)，限氧指数达到46％，而密度只有1．18kg／cm 。这种混合树脂完全可以应用于单一聚合物不能使用的场合。
鉴于聚酰亚胺耐电弧能力差， 目前NASA致力于寻找替代材料。实验发现，一种聚酰亚胺带和聚四氟乙烯层结合的绝缘结构可以明显地改进耐电弧性能。这种结构的电线可以阻断在电弧蔓延过程中由于热降解而生成碳的途径，同时在很宽的温度范围内能保持其机械性能，具有耐久性好、燃烧时发烟量小、便于安装、有多种来源和一定的产量等特点，作为宇航电线已经得到NASA的认可。
9/13/2007
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