國產(chǎn)高模碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的太陽電池板熱循環(huán)適應(yīng)性研究

楊淑利 濮海玲 邵立民 郭天宇 劉穎 高鴻

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

（2 中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300381）

（3 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

文摘 國產(chǎn)CCM40J-6K高模碳纖維基板的空間高低溫?zé)嵫h(huán)耐受性是決定其是否可以大規(guī)模應(yīng)用于空間太陽電池板的關(guān)鍵因素，必須解決交變熱環(huán)境下的面板與電池電路的匹配性和長壽命問題。本文以國產(chǎn)CCM40J-6K高模碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的太陽電池板為研究對(duì)象，開展了熱循環(huán)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究，分別從國產(chǎn)和進(jìn)口碳纖維基板適應(yīng)高低溫交變能力對(duì)比、國產(chǎn)碳纖維基板鋪設(shè)電池電路后適應(yīng)熱環(huán)境能力以及電池板在軌壽命等3個(gè)方面進(jìn)行測試試驗(yàn)。結(jié)果表明：國產(chǎn)碳纖維CCM40J-6K所構(gòu)成的電池板綜合性能與進(jìn)口M40JB-6K相當(dāng)，CCM40J-6K基板與三結(jié)砷化鎵電池片匹配性良好，國產(chǎn)碳纖維電池板經(jīng)疲勞熱循環(huán)后的開路電壓和短路電流的變化率分別為0.55%和0.24%，太陽電池片和玻璃蓋片外觀完好無損，太陽電池電路與基板聚酰亞胺面保持絕緣，且碳纖維表面無脫粘現(xiàn)象。說明國產(chǎn)碳纖維CCM40J-6K能夠應(yīng)用于太陽電池板研制。

0 引言

太陽電池板是“基板+電池電路”的組合［1］，其具體組成如圖1所示，以聚酰亞胺膜為分界線，以下部分為基板，以上部分為電池電路。基板表面所粘貼的聚酰亞胺膜，用以滿足太陽電池與基板間的絕緣要求。

圖1 太陽電池板組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the composition of solar cell array

“鋁蜂窩芯+碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)格面板+聚酰亞胺膜”是基板的典型結(jié)構(gòu)。基板作為太陽電池電路的安裝基礎(chǔ)，需要為太陽電池電路提供支撐和良好的力學(xué)環(huán)境，要求具有輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度、大尺寸穩(wěn)定的特性，這些特性主要取決于構(gòu)成基板主要結(jié)構(gòu)的高模量碳纖維。近年來，進(jìn)口高模量碳纖維等原材料日益受限、成本高漲；另外，關(guān)鍵原材料自主可控是航天技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展的前提，往往作為重大型號(hào)研制的前置條件。因此研究國產(chǎn)高模碳纖維在太陽電池板上的應(yīng)用研究越來越迫切。

由于航天器在軌運(yùn)行期間要經(jīng)歷冷黑環(huán)境（地球陰影區(qū)）與熱真空（地球向陽面）的交互作用，環(huán)境溫度交替變化。由圖1可知，太陽電池板是多種非金屬材料的復(fù)合體，且采用膠接連接，各種材料的熱變形系數(shù)不同，材料的熱導(dǎo)率較金屬結(jié)構(gòu)顯著降低，在軌溫度交變引起的熱應(yīng)力和溫度梯度引起的熱變形相對(duì)顯著［2-3］，會(huì)在一定程度上影響電池板結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致電池片脫粘或破損。

為此，在不改變電池板結(jié)構(gòu)中其他原材料的前提下，只改變網(wǎng)格面板的原材料。本文以進(jìn)口M40JB-6K碳纖維為對(duì)比對(duì)象［4］，開展基于國產(chǎn)CCM40J-6K碳纖維材料的太陽翼碳纖維網(wǎng)格基板與電池片匹配性驗(yàn)證以及環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證，給出試驗(yàn)樣件的研制及驗(yàn)證結(jié)果，擬為產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 兩種碳纖維性能數(shù)據(jù)對(duì)比

M40JB-6K由日本東麗公司生產(chǎn)，國產(chǎn)CCM40J-6K由威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)，通過CCM40J-6K 與M40JB-6K兩種纖維性能對(duì)比，CCM40J-6K碳纖維拉伸模量為388 GPa，比M40JB-6K碳纖維高3%，拉伸強(qiáng)度為5 035 MPa，比M40JB-6K碳纖維高14%，CCM40J-6K與M40JB-6K碳纖維體密度相同，均為1.77 g/cm3。

2 環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證矩陣

根據(jù)M40JB-6K碳纖維應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，與電池片匹配后環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證主要包括：高低溫交變試驗(yàn)后電池板的外觀、導(dǎo)通絕緣性能、電性能以及模擬在軌壽命的熱環(huán)境試驗(yàn)。

為進(jìn)一步證明CCM40J-6K 碳纖維應(yīng)用于太陽電池板的可行性，根據(jù)前文所述太陽電池板設(shè)計(jì)特點(diǎn)，圖2 給出了擬開展的試驗(yàn)驗(yàn)證矩陣，需要從兩種碳纖維基板適應(yīng)高低溫交變能力對(duì)比、國產(chǎn)碳纖維基板鋪設(shè)電池電路后適應(yīng)熱環(huán)境能力以及電池板在軌壽命驗(yàn)證3 個(gè)方面進(jìn)行測試及試驗(yàn)，獲得基于CCM40J-6K/環(huán)氧復(fù)合材料的太陽翼基板與電池片匹配工藝參數(shù)［5-6］，使之能適應(yīng)在軌-170～120 ℃的真空高低溫交變的環(huán)境影響［7-8］。

圖2 CCM40J-6K碳纖維試驗(yàn)件環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證矩陣Fig.2 Verification matrix of environmental adaptability for CCM40J-6K carbon-fiber test pieces

3 兩種碳纖維材料的基板試驗(yàn)件熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證

首先進(jìn)行單純碳纖維/環(huán)氧樹脂基板結(jié)構(gòu)的熱循環(huán)試驗(yàn)，以驗(yàn)證材料成型后能否保證熱循環(huán)后的結(jié)構(gòu)完整性。

分別制作兩種碳纖維CCM40J-6K 和M40JB-6K的試驗(yàn)件（試驗(yàn)件上下碳纖維面板均為單層鋪層，網(wǎng)格間距為4 mm×6 mm），對(duì)比兩種碳纖維基板經(jīng)受熱循環(huán)試驗(yàn)后的變化。

選取試驗(yàn)件共2件進(jìn)行測試，如圖3所示。

圖3 兩種碳纖維基板試驗(yàn)件熱循環(huán)試驗(yàn)曲線Fig.3 Thermal-cycle curves of substrate test based on two kinds of carbon fibers

（1）高溫：單點(diǎn)溫度保持在+（120±5）℃，且正面監(jiān)控點(diǎn)平均溫度大于120 ℃；

低溫：平均溫度低于-170 ℃（低溫時(shí)不作均勻性要求）。

（2）降溫速率：從高溫工況到低溫工況以設(shè)備的最大能力降溫。

（3）升溫速率：從-165 到80 ℃升溫時(shí)間應(yīng)在45 min左右，最大升溫速率不大于40 ℃/min。

（4）循環(huán)次數(shù)：共50次循環(huán)，循環(huán)從低溫開始。

完成試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)件表面狀態(tài)進(jìn)行檢查，且通過紅外熱成像儀對(duì)該兩種試驗(yàn)件進(jìn)行無損探測，如圖4所示，可以看出：

圖4 兩種碳纖維基板試驗(yàn)件紅外熱成像無損檢測Fig.4 Nondestructive testing by infrared thermal imaging of substrate test based on two kinds of carbon fibers

（1）2 件試驗(yàn)件正反兩個(gè)面的碳纖維正交節(jié)點(diǎn)處的膠接狀態(tài)良好，無脫粘節(jié)點(diǎn)，碳纖維與鋁蜂窩芯的膠接狀態(tài)和聚酰亞胺膜與碳纖維的粘貼狀態(tài)良好，無脫粘和虛粘接問題；

（2）通過紅外熱成像儀對(duì)該兩種試驗(yàn)件進(jìn)行無損探測，表明網(wǎng)格間、網(wǎng)格與鋁蜂窩間均膠接良好，說明國產(chǎn)碳纖維CCM40J-6K 基板具有適應(yīng)溫度交變的能力，進(jìn)一步證明了國產(chǎn)碳纖維在大尺寸結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用的可行性。

4 CCM40J-6K 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的電池板試驗(yàn)件熱環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 基板試驗(yàn)件

在第一項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目成功的基礎(chǔ)上，面向太陽電池陣實(shí)際結(jié)構(gòu)（多層結(jié)構(gòu)），制作1 件CCM40J-6K碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料基板試驗(yàn)件，如圖5所示，制作工藝過程與M40JB-6K碳纖維電池陣一致。

圖5 基板試驗(yàn)件多層鋪層示意圖Fig.5 Schematic diagram of multi-layer substrate

（1）區(qū)域1為一層網(wǎng)格間距4 mm×6 mm（頂層）。

（2）區(qū)域2 為兩層（頂層+第二層6 mm×4 mm）正交網(wǎng)格。

（3）區(qū)域3 為三層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm ）正交網(wǎng)格。

（4）區(qū)域 4 為四層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm+第四層6 mm×4 mm）正交網(wǎng)格。

（5）區(qū)域5 為三層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm）正交網(wǎng)格。

（6）區(qū)域6 為三層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm）正交網(wǎng)格且加密蜂窩芯。

4.2 電池板試驗(yàn)件

在基板試驗(yàn)件的基礎(chǔ)上，在基板粘貼聚酰亞胺薄膜面利用三結(jié)砷化鎵太陽電池通過串并聯(lián)組成電池電路。尺寸為600 mm×600 mm×25.4 mm，在指定位置粘貼真實(shí)太陽電池片（電池尺寸為39.8 mm×60.4 mm），共18 片，其他區(qū)域粘貼模擬太陽電池片，并在真實(shí)電池片粘接的位置引出導(dǎo)線并串接成單串電路，如圖6所示。

圖6 熱循環(huán)試驗(yàn)用試驗(yàn)件電池板示意圖Fig.6 Schematic diagram of the solar cell panel for the thermal-cycle test

4.3 常壓熱循環(huán)試驗(yàn)

選取該電池板試驗(yàn)件進(jìn)行常壓熱循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)工況同第3 節(jié)，溫度范圍為-170～+120 ℃，循環(huán)次數(shù)為50次。

4.4 熱真空試驗(yàn)

選取該電池板試驗(yàn)件繼續(xù)進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，如圖7所示，試驗(yàn)條件如下。

圖7 試驗(yàn)件電池板熱真空試驗(yàn)狀態(tài)Fig.7 Thermal vacuum test of the solar cell panel

（1）壓力：≤1.3 mPa。

（2）溫度范圍：-170～+120 ℃。

（3）變溫速率：按進(jìn)出影時(shí)的變溫速率預(yù)示值設(shè)定，不應(yīng)低于10 ℃/min。

（4）循環(huán)次數(shù)：4次。

4.5 試驗(yàn)結(jié)果

完成試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)件表面狀態(tài)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)：

（1）試驗(yàn)前后，對(duì)試驗(yàn)件的互連片和匯流條進(jìn)行檢查，互連片和匯流條外觀完整，無明顯變化。試驗(yàn)后，對(duì)太陽電池片和蓋片的裂片情況進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)新增裂片，焊點(diǎn)無脫焊，導(dǎo)線無破損，膠層完好無脫粘現(xiàn)象；

（2）試驗(yàn)前后，檢測試驗(yàn)件電路接點(diǎn)導(dǎo)通絕緣情況，結(jié)果均正常；

（3）試驗(yàn)前后，對(duì)碳纖維表面進(jìn)行了檢查，試驗(yàn)件背面面板網(wǎng)格十字節(jié)點(diǎn)及基板正面（貼聚酰亞胺膜面）均未發(fā)現(xiàn)有脫粘現(xiàn)象；

（4）國產(chǎn)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料電池板順利通過熱環(huán)境的考核，說明具有承受空間環(huán)境溫度交變的能力。

5 CCM40J-6K 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的電池板試驗(yàn)件疲勞熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證CCM40J-6K 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的電池板在高軌衛(wèi)星在軌壽命內(nèi)（15年為例）的電性能是否滿足要求。通過地面試驗(yàn)?zāi)M在衛(wèi)星太陽翼受熱環(huán)境的溫度變化，驗(yàn)證在國產(chǎn)碳纖維基板上制作的三結(jié)砷化鎵太陽電池陣能否承受溫度交變的能力。

5.1 電池板試驗(yàn)件

CCM40J-6K碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料基板試驗(yàn)件制作情況同4.1節(jié)，在此基礎(chǔ)上制作疲勞熱循環(huán)試驗(yàn)用試驗(yàn)件太陽電池板1塊，尺寸為200 mm×200 mm×25.4 mm，粘貼真實(shí)太陽電池片（電池尺寸為30.6 mm×40.3 mm）共20片，電池電路為2并10串，基板背面粘接3組電流分配模塊和3個(gè)電纜固定樁，電流分配模塊各安裝1只隔離二極管且單獨(dú)引出導(dǎo)線，如圖8所示。

圖8 疲勞熱循環(huán)試驗(yàn)用試驗(yàn)件電池板的示意圖Fig.8 Schematic diagram of the solar cell panel for fatigue thermal cycling test

5.2 試驗(yàn)條件

（1）環(huán)境氣壓：常壓。

（2）溫度范圍：-170～+100 ℃。

（3）變溫速率：按進(jìn)出影時(shí)的變溫速率預(yù)示值設(shè)定，不應(yīng)低于10 ℃/min。

（4）循環(huán)次數(shù)：2 070次。

5.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)件進(jìn)行了2 070 次高低溫交變循環(huán)試驗(yàn)，由試驗(yàn)溫度曲線可得知升溫和降溫的平均溫度變化率在20 ℃/min，如圖9 所示。試驗(yàn)前后對(duì)試驗(yàn)件的外觀、導(dǎo)通絕緣性能（用100V DC 兆歐表）和電性能進(jìn)行檢查，電性能測試包括導(dǎo)通測試及I-V曲線測試，前者是通過萬用表進(jìn)行測量，后者是在1 AM0 條件下，通過太陽模擬器模擬太陽光進(jìn)行測試的。

圖9 三結(jié)砷化鎵太陽電池試驗(yàn)件疲勞熱循環(huán)曲線示意圖Fig.9 The fatigue thermal-cycle curve of the solar cell panel based on three-junction GaAs solar cell

5.4 試驗(yàn)結(jié)果

完成試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)件電池片及表面狀態(tài)進(jìn)行檢查，且試驗(yàn)前后分別進(jìn)行了光照測試（表1 及圖10），結(jié)論如下：

圖10 疲勞熱循環(huán)試驗(yàn)用試驗(yàn)件試驗(yàn)前后I-V曲線Fig.10 I-V curve of the solar cell panel for fatigue thermalcycle test before and after the test

表1 疲勞熱循環(huán)試驗(yàn)前后電性能測試結(jié)果Tab.1 Test results of electrical performance for solar cell panel before and after fatigue thermal-cycle test

（1）試驗(yàn)前、后，太陽電池、二極管、互連片、匯流條、導(dǎo)線、焊點(diǎn)、電流分配模塊和電纜固定樁的外觀均完好無損，未出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象；

（2）試驗(yàn)前、后，太陽電池片和玻璃蓋片外觀完好無損，太陽電池電路與基板絕緣電阻值均為100 MΩ；

（3）試驗(yàn)前、后開路電壓Voc和短路電流Isc分別為0.55%和0.24%，變化非常小；

（4）試驗(yàn)前后對(duì)碳纖維表面進(jìn)行了檢查，試驗(yàn)件背面面板網(wǎng)格十字節(jié)點(diǎn)及基板正面（貼聚酰亞胺膜面）均未發(fā)現(xiàn)有脫粘現(xiàn)象；

（5）國產(chǎn)碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料電池板順利通過疲勞熱循環(huán)試驗(yàn)的考核，說明具有承受在軌壽命內(nèi)高低溫環(huán)境能力，且與電池片匹配性良好。

6 結(jié)論

（1）通過兩種碳纖維基板試驗(yàn)件的熱循環(huán)試驗(yàn)，說明國產(chǎn)碳纖維CCM40J-6K 綜合性能與進(jìn)口M40JB-6K相當(dāng)，完全滿足航天器在軌使用要求。

（2）通過國產(chǎn)碳纖維CCM40J-6K 電池板試驗(yàn)件的熱真空及疲勞熱循環(huán)試驗(yàn)，說明國產(chǎn)碳纖維CCM40J-6K電池板具有承受高軌衛(wèi)星在軌壽命內(nèi)溫度沖擊的能力。

（3）國產(chǎn)碳纖維CCM40J-6K 基板與三結(jié)砷化鎵電池片匹配性良好，三結(jié)砷化鎵太陽電池經(jīng)2 070 次溫度沖擊后的開路電壓和短路電流的變化率分別為0.55%和0.24%；試驗(yàn)前后，太陽電池片和玻璃蓋片外觀完好無損，太陽電池電路與基板聚酰亞胺面保持絕緣。