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深空探测采样用PBO纤维基取芯软袋在火星全环境模拟下的效应及性能研究

批准号:
52103078
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王芳
依托单位:
学科分类:
高分子共混与复合材料
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王芳

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
作为人类开发第二家园的所在地,我们对火星的探索从未停止,随着天问一号的成功发射,我国也即将开启火星采样工程。“采样返回”任务是深空探测的核心技术之一,取芯软袋作为地外天体探测采样任务中唯一直接与土壤相接触的组件,其性能的优劣可能直接决定整个探测任务的成败。本项目基于嫦娥五号月壤采集任务的成功完成,分析取芯软袋在火星星表特殊且恶劣的环境下工作可能面临的严苛环境,选取高性能PBO纤维为编织原料,考察PBO纤维在火星全环境模拟条件下的性能,包括应力及辐照场耦合作用下PBO纤维辐射损伤行为及自由基演化机理,并建立PBO纤维应力-辐照场耦合作用损伤理论,火星表面砂尘及风速环境对纤维(取芯软袋)力学性能的影响及损伤机理剖析,相关实验结果有望为深空探索采样奠定一定的基础。
英文摘要
As the location of the second home for human development, our exploration of Mars has never stopped. With the successful launch of astronomy-1, China is about to start the Mars sampling project. The "sampling return" mission is one of the core technologies of deep-space exploration. As the only component that directly contacts with the soil in the sampling mission, the performance of the coring flexible bag will directly determine the success or failure of the whole mission. Based on the successful completion of chang'e-5 lunar soil collection mission, this project analyzes the severe environment that the coring flexible bag may face when working in the special and harsh environment of Mars catalogue. High performance PBO fiber is selected as the braiding material to investigate the properties of PBO fiber under the Mars environment simulation conditions, including the radiation damage behavior and free radical evolution mechanism of PBO fiber under the coupling effect of stress and radiation field In addition, the damage theory of PBO fiber coupled with stress radiation field is established, and the influence of sand dust and wind speed on the mechanical properties of PBO fiber (soft core bag) and the damage mechanism are analyzed. The relevant experimental results are expected to lay a foundation for deep space exploration and sampling in the future.
本项目研究PBO纤维基取芯软袋在火星全环境模拟下的性能变化及其机理分析。以PBO纤维为研究对象,通过电子顺磁共振技术(EPR)对辐照诱发自由基行为进行了测试,对于相同辐照条件及不同应力条件下PBO纤维中的自由基含量,研究了辐照-应力耦合场中应力行为对辐照诱发自由基形成的影响。采用力学测试仪对纤维的拉伸行为进行了测试,研究了纤维的拉伸强度、断裂强度、断裂伸长率等参数的演化过程,采用扫描电子显微镜(SEM)对PBO纤维拉伸断口形貌进行了分析,采用傅里叶变化红外光谱(FTIR)、拉曼光谱分析仪(Raman spectroscopy)、X射线光电能谱(XPS)及X射线衍射技术(XRD)对纤维的化学组成及结构进行分析,研究了辐照-应力耦合场作用下的PBO纤维损伤行为。PBO纤维在1MeV电子辐照过程中,链接结构单元的C-C键首先断裂,C-O键和C=N键也依次断裂,产生三种自由基,辐照注量越高,自由基含量越大,且自由基的升高速率随注量增大而减小。有无应力场作用的PBO纤维的力学性能损伤趋势大致相同,均为下降,且下降率随辐照注量增大而降低,但施加应力场的情况下力学性能损伤更加严重,损伤程度增加了5%~8%。对PBO纤维开展了热循环实验及热老化实验,在循环次数较低的情况下,热循环会使纤维力学性能下降,但随着循环次数的增加,处理后纤维的单丝拉伸单丝拉伸强度出现明显的提高,甚至高于原纤维,且施加应力的纤维力学性能低于未施加应力的纤维。长时间的热处理和负载施加会使纤维发生老化,造成纤维强度的下降,且随着处理温度的升高和施加应力的提高,纤维强力下降的更加明显,老化更加严重。利用火星尘舱模拟了火星表面的大气指标参数,结合空间环境特点以及火星表面实际环境,在火星尘暴模拟实验后PBO纤维表面粘附大量砂尘颗粒。可以看出,在实际工况中,如纤维在轨作业过程中,遭遇火星尘暴,将对纤维表面造成巨大影响,将对PBO纤维基取芯软袋的功能实现造成影响,例如影响软袋内翻及提卷收样等。
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