[发明专利]用于空间充气展开结构的热固性复合薄膜的刚化方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种复合薄膜及该薄膜的制作、热固性刚化方法。

背景技术：

在现代国防领域，国防力量的竞争已经越来越发展为空间技术的竞争，未来的战争，很大程度上将依赖于制空权的争夺。而未来空间技术和制空权的竞争，则越来越强烈的依赖于大型(或超大型)空间结构构建技术，这些大型空间结构例如大型空间天线、太阳帆板，以及大型天基武器系统作战平台、空天飞行器等，在我国航天及国防等领域都有大量需求。发展大型空间结构技术，对提高我国未来在国际空间技术的竞争能力和空天作战能力具有重要意义。同时由于受到运载能力的限制，如何在空间构建低成本的航天器，一直是航天科技研究的热点。利用可膨胀形式的空间结构技术可以较为容易地构建成大型空间结构，同时可以减轻发射重量和发射体积，是一种能够构建大型空间结构和降低发射(运载)成本的有效解决途径。该项技术目前已经成为国际空间技术研究的热点，已经推出很多试验产品，并进行了部分相关的试验验证。但是从国内公开发表的文献来看，还没有直接与此领域有关的资料。而国外的资料也大都是概念性的叙述，关键技术尚处于保密阶段。

发明内容：

本发明的目的是为填补目前可以减轻发射重量和发射体积的大型空间结构产品的空白，提供一种用于空间充气展开结构的热固性复合薄膜及制作、刚化方法，本发明的热固性复合薄膜具有质量轻、占用发射体积小、降低发射成本、费用低、可靠性高的特点；本发明热固性复合薄膜的制作、刚化方法具有适合太空环境、成型效果好的特点。本发明的热固性复合薄膜由内部气体阻隔层1、刚化层2、加热层3、外部隔热层4组成；刚化层2设置在内部气体阻隔层1的外侧，加热层3设置在刚化层2的外侧，外部隔热层4设置在加热层3的外侧。内部气体阻隔层1的厚度为0.025mm～0.05mm；刚化层2的厚度为0.1～0.8mm；加热层3的厚度为0.1～0.3mm；外部隔热层4的厚度为0.5～1mm。本发明热固性复合薄膜的制作、刚化方法是：一、内部气体阻隔层1的制作：将聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜制成球状、筒状或管状(充气展开后的形状)；二、刚化层2的制作：将两向或三向编织的纤维布浸入热固性树脂，制成预浸布，再制成与内部气体阻隔层1相同的形状，套设在内部气体阻隔层1的外侧；三、加热层3的制作：将金属箔或金属细丝放在内侧涂有热固性粘胶剂的两层聚酰亚胺薄膜中间，再放在热压机上加热加压成型，然后制成与内部气体阻隔层1相同的形状，套设在刚化层2的外侧；四、外部隔热层4的制作：将单面或双面镀铝打孔的聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜和涤纶网粘合在一起，制成与内部气体阻隔层1相同的形状，套设在加热层3的外侧；使内部气体阻隔层1、刚化层2、加热层3、外部隔热层4形成一个密闭的整体；五、刚化：热固性复合薄膜送入太空后，首先接通电源将加热层3加热到20℃，使其柔性增加，再向热固性复合薄膜内部充气，使其充分展开，然后提高温度使刚化层2固化。本发明的热固性复合薄膜一般称作可充气太空结构。本发明的热固性复合薄膜是由柔性薄膜材料制造而成的一种新型太空结构，不仅重量轻而且在发射之前是柔性的，可以折叠包装，这种结构在发射时以折叠的形式储存在运载火箭发射舱里，只占用很小的发射体积，发射到轨道上后，则通过向结构内部充入气体而使结构充气展开，利用材料或结构刚化技术成型，生成预先设计的形状，并实现其功能要求。与传统形式的太空结构相比，可充气太空结构在以下几方面具有不可比拟的优势：质量轻、占用发射体积小、费用低、可靠性高。本发明的热固性复合薄膜的制作、刚化方法具有适合太空环境、成型效果好的优点。目前，可充气形式的太空结构在国际上受到越来越多的关注，它在太空大天线、太阳能帆板、太阳能列阵以及太空居住地等太空结构上有着重要的应用价值。

附图说明：

图1是本发明的整体结构剖视图。

具体实施方式：

具体实施方式一：(参见图1)本实施方式的热固性复合薄膜由内部气体阻隔层1、刚化层2、加热层3、外部隔热层4组成；刚化层2设置在内部气体阻隔层1的外侧，加热层3设置在刚化层2的外侧，外部隔热层4设置在加热层3的外侧。内部气体阻隔层1的厚度为0.025mm～0.05mm；刚化层2的厚度为0.1～0.8mm；加热层3的厚度为0.1～0.3mm；外部隔热层4的厚度为0.5～1mm。本实施方式热固性复合薄膜的制作、刚化方法是：一、内部气体阻隔层1的制作：将聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜制成球状、筒状或管状(充气展开后的形状)；二、刚化层2的制作：将两向或三向编织的纤维布浸入热固性树脂，制成预浸布，再制成与内部气体阻隔层1相同的形状，套设在内部气体阻隔层1的外侧；三、加热层3的制作：将金属箔或金属细丝放在内侧涂有热固性粘胶剂的两层聚酰亚胺薄膜中间，再放在热压机上加热加压成型，然后制成与内部气体阻隔层1相同的形状，套设在刚化层2的外侧；四、外部隔热层4的制作：将单面或双面镀铝打孔的聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜和涤纶网粘合在一起，制成与内部气体阻隔层1相同的形状，套设在加热层3的外侧；使内部气体阻隔层1、刚化层2、加热层3、外部隔热层4形成一个密闭的整体；五、刚化：热固性复合薄膜送入太空后，首先接通电源将加热层3加热到20℃，使其柔性增加，再向热固性复合薄膜内部充气，使其充分展开，然后提高温度使刚化层2固化。所述聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜为杜邦公司生产的Kapton薄膜或Mylar薄膜。所述的纤维布为双向编织的3K，T300和Kevlar混编的平纹布。所述的树脂为环氧树脂。所述刚化层2的固化温度为100～140℃。所述刚化层2的固化时间为0.5～2小时。所述加热层3的加热功率密度为300～520W/m²。本实施方式内部气体阻隔层在结构的最内侧，其作用是防止内部气体泄漏，具有保持气体和防止结构在包装时粘结的作用。内部气体阻隔层的材料选用适于空间条件的耐折叠的薄膜材料，可以选用的材料有：聚酰亚胺薄膜、聚酯薄膜等。刚化层由复合材料预浸料(由两向或三向编制的纤维布预浸未固化的树脂制成)构成，受热后树脂化学发生交联固化而得到硬质材料，用于支撑整个结构，该层材料的合理设计是实现材料和结构高性能的关键。固化周期依赖于所选的基体材料，为几十分钟到几个小时。增强材料可以选用PBO纤维、碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等，这些纤维与热固性树脂如环氧固化时，可得到极硬的层压材料，所制成的高性能热固性复合材料表现出了优异的高强高硬特性。但是单纯地提高材料的强度与硬度并不利于整体结构的性能，材料过硬，折叠时纤维容易出现裂口，同时抵抗空间碎片或粒子撞击的能力也会下降。为了减小折叠时纤维的损伤，纤维的模量不宜太大。为了减小复合材料加热固化以及受热变形，纤维应具有近于零的热膨胀系数。可充气展开的热固性复合薄膜结构应用于太空结构，在发射前需要较长的时间进行制造、装配和测试，因而复合材料预浸料必须有较长的贮存寿命。故树脂体系选用具有长潜伏期的树脂体系，在室温条件下具有3个月以上的潜伏期。加热层为展开和固化提供合适的温度，同时还可以用来保持膨胀管的形状。在结构展开时，嵌入的加热系统先把材料加热到约20℃，当材料被加热到20℃时，其柔性就会增加，此时充气展开，然后再加热此结构到固化温度。加热层的加热是可控的、可预测的，加热层需要的能量来自于航天器的电源。外部隔热层(MLI层)的作用是为了抵抗恶劣的空间环境，同时也是为了隔绝内部的热散失，保持内部的固化温度。MLI层根据不同的空间环境和任务需要进行相应的设计。