薄膜材料可作为结构材料或功能材料应用于航天器，如热控结构、太阳帆、大型展开式太阳电池阵等。由于受到空间电子、质子、紫外、原子氧、空间碎片等环境的作用，薄膜材料的力学性能将发生变化，导致其功能下降或失效。

国内外航天机构均对薄膜材料的力学性能开展了大量研究。R. Verker和Shimamura [1-4]对聚酰亚胺（PI）薄膜在低地球轨道（LEO）环境下的力学性能进行了研究，研究发现，原子氧是导致 LEO轨道薄膜材料力学性能下降的主要原因，虽然电子、质子、紫外等也会对其热光性能和力学性能带来较大影响，但与原子氧相较则小得多。针对哈勃太空望远镜（HST）的在轨薄膜破裂，Joyce A. Dever等[5]对薄膜在空间太阳紫外、带电粒子辐射、温度循环、原子氧等环境下的力学性能进行了研究，发现Teflon FEP薄膜在空间辐射环境下的力学性能将发生明显退化。W. K. Stuckey和James E. Ferl等[6-9]研究了空间辐射环境对薄膜材料性能的影响，发现薄膜材料的力学性能受空间辐射环境的影响较大，而太阳吸收率等热物性能则变化极小。我国也对空间辐射环境下薄膜材料力学性能的变化规律和机理进行了初步研究[10-12]，研究发现，电子、质子、近紫外等辐射环境下聚酰亚胺薄膜的退化规律和机理存在较大的差别，远紫外辐射下薄膜材料力学性能的演化机理有待进一步研究。

文中首先研究了空间远紫外辐射作用下聚酰亚胺薄膜力学性能的变化规律，进而利用热重、X射线光电子能谱等微观分析方法，对聚酰亚胺薄膜的力学性能退化机理进行了研究。

1 试验

利用薄膜专用切刀，将聚酰亚胺薄膜（杜邦公司产）裁制成长条形样品，厚度为25 μm，宽为15 mm，长为150 mm。

1）挑战性-技巧平衡（Challenge-skill balance）：即当人们的技巧需要与完成这项活动的挑战度相当；

选用氘灯作为远紫外辐照源，波长范围为115～200 nm，加速因子为10，样品温度为25 ℃，真空度优于 1×10－3 Pa，曝辐量为 0、300、500、800、1600 ESH（等效太阳小时）。

远紫外辐照前后 O元素的化学价键及其变化见表 3、图 5。由表 3和图 5分析可知，峰位 531.8、532.2、533.1 eV分别代表C=O键、—N(C(O))键和C—O—C键。在远紫外辐照作用下，薄膜材料中C—O—C发生断裂，导致 C—O健的含量降低，并引起C=O价健含量的升高。随着曝辐量的增加，进一步发生分子链的交联，微观表现为C—O—N价键含量的升高和C—O—C价健含量的进一步降低。在宏观上则表现为薄膜材料的抗拉强度先降低后升高。在远紫外曝辐量为300 ESH时，薄膜材料中的C—O—C价键完全断裂，宏观表现为此时的抗拉强度最小。

远紫外辐照下 N元素的化学价键变化分析见表4、图6。由表4和图6分析可知，峰位399.81、400.4、400.8 eV分别代表—N(C(O))键、C—N键和游离的N。随着远紫外曝辐量的增加，游离N的含量逐渐增加，C—N键的含量逐渐减小，这说明C—N键的断裂增加，同时有游离的N生成。

2 结果及分析

2.1 力学性能变化

不同远紫外曝辐量下聚酰亚胺薄膜材料的力学性能（抗拉强度和断裂伸长率）变化如图1所示。由图1可知，随着远紫外曝辐量的增加，聚酰亚胺薄膜的抗拉强度和断裂伸长率先减小再增大。

图1 PI薄膜力学性能随远紫外曝辐量的变化关系 Fig.1 Relationship between mechanical properties of PI film and different FUV exposures: a) tensile strength,b) rupture elongation

2.2 热重分析

1）在远紫外辐照作用下，均苯型PI薄膜的力学性能先降低而后呈指数增加，最后趋于稳定。

图2 远紫外辐照前后PI薄膜热重分析曲线 Fig.2 Thermo-gravimetric analysis curve of PI film before and after FUV irradiation

2.3 XPS分析

2）在远紫外辐照初期，C=O、C—O、C—N和C—C等化学价健的断裂是引起PI薄膜力学性能降低的主要原因。

均苯型PI的分子式如图3所示。远紫外辐照作用下PI薄膜中C元素的化学价键变化见表2、图4。

基于以上分析与计算，考虑土体恢复后桩基极限承载力的提高，分别利用基于本文推演并结合水运工程与建筑行业规范计算公式（规范推演计算值）、高应变动力检测（PDA动测检测值）计算开口钢管桩竖向极限承载力，对比结果见图3、图4；统计规范推演计算值与PDA动测检测值比值a样本分布，见表2。

表1 远紫外辐照前后PI薄膜的成分变化 Tab.1 Component percentage of PI film before and after FUV irradiation

Irradiance/ESH w(C)/% w(O)/% w(N)/%0 79.75 15.18 5.07 300 75.56 18.90 5.54 500 77.51 19.45 3.04 800 77.68 18.43 3.89 1000 78.66 17.62 3.72

图3 PI分子结构 Fig.3 Molecular structural formula of PI

表2 远紫外辐照下PI薄膜C元素的化学价键变化 Tab.2 Change in chemical bond of C in PI film by FUV irradiation

Peak/eV 0 ESH 300 ESH 1000 ESH Intensity(CPS) Percent/% Intensity(CPS) Percent/% Intensity(CPS) Percent/%284.4 — — 11 859.28 11.79 13 329.2 14.57 284.7 7 6423.59 74.64 42 950.69 42.71 23 071.94 25.22 285.6 7 315.697 7.15 34 240.91 34.05 44 327.03 48.46 286.2 9 176.194 8.96 — — — —288.2 3 312.523 3.24 — — — —284.4 — — 11 859.28 11.79 13 329.2 14.57

图4 远紫外辐照PI的C元素XPS键能分析 Fig.4 Bond energy analysis of C in PI under FUV irradiation by XPS

由表2分析可知，峰位284.4 eV代表环2和环3发生取代反应，生成C(1,2,3,4,5,6)，峰位284.7 eV代表环2和环3的C(2,3,5,6)和环1的C(2,5)，峰位285.6 eV代表环2的C(1)和环3的C(4)，峰位286.2 eV是指环2的C(4)和环3的C(1)，而峰位288.2 eV和288.4 eV分别为C(1,3,4,6)中的C=O键和C—N键。由分析可知，薄膜材料在远紫外环境辐照下首先发生峰位286.2 eV和288.2 eV对应的C—O—C和C=O的断裂，微观表现为C—N含量的升高。而后随着远紫外曝辐量的增加，分子交联发生，引起C—O—N含量的升高和 C—O—C含量的进一步降低，从而导致薄膜的力学性能先降低，而后升高。

辐照试验完成后，立即取出样品，用深圳瑞格尔仪器有限公司产RGD-1型电子拉力试验机开展力学性能拉伸试验。标距为100 mm，拉伸速度为50 mm/min。

利用热重分析测试设备对 PI薄膜的质量随温度的变化情况进行测试，温度区间为室温至1000 ℃，升温速率为10 /min℃，气氛为空气。利用XPS对薄膜的表面成分进行分析，能量分辨率为0.48 eV。

本研究发现，在社会认知基本维度框架中，社群性主导中庸思维，低能动、高社群组合群组的中庸思维水平最高。这个发现对于认知中庸和中庸实践者都具有启发意义。

表3 远紫外作用下PI薄膜O元素的化学价键变化 Tab.3 Change in chemical bond of O in PI film under FUV irradiation

Peak/eV 0 ESH 300 ESH 1000 ESH Intensity(CPS) Percent/% Intensity/CPS Percent/% Intensity/CPS Percent/%531.8 38 632.45 71.17 13 514.58 21.06 23 715.47 36.33 532.2 — — 41 509.86 64.69 19 280.24 29.53 533.1 15 647.97 28.83 9 144.681 14.25 22 289.69 34.14

图5 远紫外辐照PI的O元素XPS键能分析 Fig.5 Bond energy analysis of O in PI film under FUV irradiation by XPS

图6 远紫外辐照PI的N元素XPS键能分析 Fig.6 Bond energy analysis of N in PI film under FUV irradiation by XPS

表4 远紫外作用下PI薄膜N元素的化学价键变化 Tab.4 Change in chemical bond of N in PI film under FUV irradiation

Peak/eV 0 ESH 300 ESH 1000 ESH Intensity(CPS) Percent/% Intensity(CPS) Percent/% Intensity(CPS) Percent/%399.81 2 449.84 18.32 1 392.982 10.09 2 698.966 23.34 400.4 10 924.78 81.68 8 581.198 62.18 3 913.804 33.84 400.8 — — 3 826.958 27.73 4 952.307 42.82

3 结论

远紫外辐照前后的 PI薄膜热重分析曲线如图 2所示。由图2可知，聚酰亚胺薄膜在远紫外辐照后，出现明显质量损失的温度由575 ℃下降到550 ℃。分析其原因，可能是由于远紫外辐照引起薄膜材料分子价健的断裂和小分子的生成，进而导致热重分析温度的降低。

远紫外辐照前后PI薄膜的元素成分变化见表1。由表1分析可知，随着远紫外曝辐量的增加，C元素的含量先减少后增加，与之对应，O元素和N元素含量则是先增加、后减少。这是由于远紫外辐照可引起薄膜材料发生分子价键的断裂，引起O元素和N元素向表面富集，并变成小分子释放出去，进而造成C元素含量增加，进一步发生交联反应。从宏观上表现为PI薄膜的力学性能先降低、后增加。

3）远紫外的进一步辐照将引起PI薄膜分子链的交联，表现为C—N键的含量逐渐减小，C—O—N价键含量的升高和 C—O—C价健含量的进一步降低，同时有游离的N生成。

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