一种基于聚酰亚胺基板的太阳翼及其制备方法与流程

本发明涉及太阳翼制备，具体是一种基于聚酰亚胺基板的太阳翼及其制备方法。

背景技术：

1、太阳翼是航天器在轨运行的核心能量来源，随着低轨通信卫星星座的大规模部署，柔性太阳翼因其高折叠比、轻量化和收拢体积小等优势，正逐步取代传统刚性太阳翼成为主流技术路线。

2、目前典型的柔性太阳翼基板多采用聚酰亚胺/玻纤布/聚酰亚胺多层复合结构。然而，该方案在空间应用中面临以下突出问题：1、低轨空间环境富含高能原子氧和强紫外线，聚酰亚胺等有机高分子材料抗原子氧和抗紫外老化能力不足，长期暴露会发生分子链断裂；2、聚酰亚胺膜的热膨胀系数约（2-5）×10-5/k，与太阳电池片如硅电池约（2.6-4.2）×10-6/k，差异显著，在轨高低温交变环境下热应力显著，易导致封装层剥离、焊点脱焊乃至电池片破裂。

3、玻璃为航天太阳翼常用的正面封装材料，利用其无机材料的本征特性可以用来抵御原子氧和紫外老化，具备优异的耐环境能力。同时随着技术的进步，玻璃厚度可以降低到几十微米，使其具备了良好的柔韧性和弯曲性能。然而，上述以单一超薄玻璃作为基板或盖板材料，在实践中存在以下局限：1、尽管经化学强化的超薄玻璃可弯折至r为1.5mm，但由于玻璃的脆性本质，在卷绕展开过程中或遭受微陨石冲击时，基板一旦存在微小边缘裂纹即有瞬间扩展断裂的风险，大面积纯玻璃基板的容损伤能力相对不足；2、太阳翼基板受光面需要高刚性以保证电池片平面度和互连可靠性，而基板卷绕折叠区域又需要极高的柔韧性和抗撕裂性能，单一超薄玻璃无法兼顾基板不同部位对刚性支撑和柔性缓冲的差异需求。

4、综上所述，为解决上述问题，本发明提出了一种基于聚酰亚胺基板的太阳翼及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于聚酰亚胺基板的太阳翼及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于聚酰亚胺基板的太阳翼，包括聚酰亚胺基板，以及设置于所述聚酰亚胺基板受光侧的太阳电池封装层；

4、聚酰亚胺基板包括1-2层超薄玻璃层和设置于超薄玻璃层上层和/或下层的聚酰亚胺膜；

5、聚酰亚胺膜由硅硼氨基poss、4,4’-二氨基苯酰替苯胺、二酐反应，酰胺化得到。

6、较为优化地，聚酰亚胺膜由以下工艺制得：

7、s1：硅硼氨基poss、4,4’-二氨基苯酰替苯胺加入到溶剂中，在氮气气氛保护下，加入二酐，在45-55℃反应4-6h，得到聚酰胺酸溶液；

8、s2：将聚酰胺酸溶液流延成膜，热酰亚胺化，得到聚酰亚胺膜。

9、较为优化地，s1中，硅硼氨基poss、4,4’-二氨基苯酰替苯胺、二酐的质量比为（1.5-2.5）：（0.4-0.8）：1；

10、4,4’-二氨基苯酰替苯胺、溶剂的比例为1g：（40-60）ml；

11、溶剂采用n,n-二甲基乙酰胺‌；

12、二酐选自4,4’-异丙叉二苯醚四甲酸二酐、环己烷四甲酸二酐、六氟二酐中的一种或多种。

13、较为优化地，s2中，热酰亚胺化的工艺条件为：在100-120℃保温1-1.5h，在160-180℃保温0.5-1h，在220-260℃保温0.5-1h，在300-340℃保温1-1.5h。

14、较为优化地，硅硼氨基poss由以下工艺制得：

15、步骤1：将二苯基二氯硅烷加入到溶剂中，然后滴加苯基硼酸溶液，在90-100℃回流反应10-16h，进行旋转蒸发、萃取、干燥，得到硅硼氧烷化合物；

16、步骤2：将氨基羟基多官能团poss、三乙胺加入到混合溶液中，制得氨基羟基多官能团poss溶液；

17、步骤3：将硅硼氧烷化合物加入到溶剂中，在90-100℃下，滴加氨基羟基多官能团poss溶液，滴加完毕后，回流反应10-16h，进行旋转蒸发、过滤、重结晶、干燥，得到硅硼氨基poss。

18、较为优化地，步骤1中，二苯基二氯硅烷、苯基硼酸的摩尔比为（1.9-2.1）：1；

19、二苯基二氯硅烷、溶剂的比例为1g：（5-6）ml；

20、溶剂为四氢呋喃和丙酮混合溶剂，四氢呋喃和丙酮的体积比为（3-4）：（1-1.2）；

21、苯基硼酸溶液的浓度为22-26wt%，溶剂为四氢呋喃，在2-3h内滴加完毕。

22、较为优化地，步骤2中，氨基羟基多官能团poss、三乙胺的质量比为1：（0.15-0.18）；

23、混合溶液为四氢呋喃和丙酮混合溶剂，四氢呋喃和丙酮的体积比为（4-5）：（1-1.2）；

24、氨基羟基多官能团poss溶液的浓度为8-15wt%。

25、较为优化地，步骤3中，硅硼氧烷化合物、氨基羟基多官能团poss的质量比为1：（3.6-4）；

26、氨基羟基多官能团poss溶液在3-4h内滴加完毕；

27、硅硼氧烷化合物、溶剂的比例为1g：（5-6）ml；

28、溶剂为四氢呋喃和丙酮混合溶剂，四氢呋喃和丙酮的体积比为（2-3）：（1-1.2）。

29、较为优化地，氨基羟基多官能团poss由以下工艺制得：

30、将八乙烯基poss溶于四氢呋喃中，在氮气气氛保护下，依次加入2-巯基乙醇、光引发剂，紫外照射反应2-3h；然后加入4-氨基苯硫酚，继续照射反应1-2h，进行浓缩、加入四氢呋喃/甲醇混合溶液析出沉淀、过滤、干燥，得到氨基羟基多官能团poss。

31、较为优化地，八乙烯基poss、2-巯基乙醇的摩尔比为1：（5-6）；

32、八乙烯基poss、光引发剂、四氢呋喃的比例为10g：（0.5-0.7）g：（100-200）ml；

33、光引发剂采用dmpa（2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮）；

34、紫外照射的条件为：在365nm紫外灯下照射。

35、较为优化地，八乙烯基poss、4-氨基苯硫酚的摩尔比为1：（2.5-3.5）；

36、四氢呋喃/甲醇混合溶液中，四氢呋喃、甲醇的体积比为（4-5）：1。

37、较为优化地，聚酰亚胺膜的厚度为5-100μm。

38、较为优化地，聚酰亚胺膜的厚度为12.5-50μm。

39、较为优化地，超薄玻璃层的厚度为10-200μm。

40、较为优化地，超薄玻璃层的厚度为20-100μm。

41、较为优化地，超薄玻璃层的厚度为30-70μm。

42、较为优化地，超薄玻璃层采用经过化学强化处理的铝硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃，其弯折半径r≤25mm。

43、较为优化地，超薄玻璃层的弯折半径r≤15mm。

44、较为优化地，超薄玻璃层与聚酰亚胺膜通过胶黏剂层复合为一体；

45、胶黏剂选用环氧树脂类空间级胶黏剂。

46、较为优化地，聚酰亚胺基板的构型包括但不限于以下几种：

47、构型a：玻璃/聚酰亚胺膜/玻璃三明治复合基板，以聚酰亚胺膜为中心层，在其上下两侧各设置一层超薄玻璃层，将聚酰胺酸溶液在超薄玻璃层表面流延成膜或通过胶黏剂层（502）粘合聚酰亚胺膜和超薄玻璃层；该构型利用中心聚酰亚胺膜作为缓冲和抗冲击层，两侧玻璃层提供双重刚性保护，尤其适合需要高抗微陨石冲击、抗原子氧的场景。

48、构型b：对称复合基板，以超薄玻璃层为中心层，在其上下两侧各设置一层聚酰亚胺膜，将聚酰胺酸溶液在超薄玻璃层表面流延成膜或通过胶黏剂层（502）粘合聚酰亚胺膜和超薄玻璃层，形成pi膜/胶黏剂层/超薄玻璃层/胶黏剂层/pi膜的五层对称结构；该构型对称性好，热应力分布均匀。

49、构型c：单面复合基板，在超薄玻璃层的单侧设置一层聚酰亚胺膜，将聚酰胺酸溶液在超薄玻璃层表面流延成膜或通过胶黏剂层（502）粘合聚酰亚胺膜和超薄玻璃层；将聚酰亚胺膜设置在背对太阳电池的一侧（背面），利用聚酰亚胺膜为玻璃提供柔韧性和抗撕裂保护，而玻璃保持刚性和热稳定性。

50、构型d：局部增强复合基板，在基板的特定区域，如电池片贴装区，采用玻璃层较厚的复合结构，在弯折铰链区域采用聚酰亚胺层较厚或纯聚酰亚胺的柔性结构，实现基板不同区域的差异化性能。

51、较为优化地，靠外侧的超薄玻璃层的表面还沉积有功能涂层；

52、功能涂层选自增反射涂层、抗静电涂层、选择性紫外过滤涂层中的一种或多种。

53、较为优化地，太阳电池封装层包括防护层、第一封装粘接层、太阳电池层、第二封装粘接层。

54、较为优化地，太阳翼自光入射面至背面依次包括：防护层、第一封装粘接层、太阳电池层、第二封装粘接层、聚酰亚胺基板。

55、较为优化地，防护层选自玻璃盖片、透明聚酰亚胺、赝玻璃、氟材料中的一种；

56、第一封装粘接层和第二封装粘接层采用空间级硅橡胶或poe（聚烯烃弹性体）胶膜；

57、太阳电池层包括至少一个太阳电池片或太阳电池阵。

58、较为优化地，空间级硅橡胶选用具有航天飞行经验的缩合型或加成型硅橡胶；

59、poe胶膜采用经过耐紫外辐照和耐高能辐射改性的聚烯烃弹性体胶膜。

60、在上述技术方案中，防护层将太阳电池片与空间环境隔离。

61、一种基于聚酰亚胺基板的太阳翼的制备方法，包括以下步骤：

62、（1）将超薄玻璃层、胶黏剂层和聚酰亚胺膜按预设构型叠放，进行层压，形成聚酰亚胺基板；

63、（2）将防护层、第一封装粘接层、太阳电池层、第二封装粘接层与聚酰亚胺基板按顺序叠放，进行层压，制得太阳翼。

64、较为优化地，层压的工艺条件为：层压温度为80-180℃，层压压力为0.05-1.0mpa，层压时间为5-60min。

65、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

66、1、本发明中聚酰亚胺膜的分子链中引入了硅硼氨基poss，硅硼氨基poss中含有硅硼氧烷、poss和氨基，在原子氧侵蚀环境下，poss的笼型硅氧烷骨架可在低轨原子氧辐照环境下于薄膜表面原位构建无机防护屏障，有效阻隔高能原子氧对有机分子链的持续刻蚀，降低薄膜质量侵蚀损失；同时poss三维笼状结构可弱化聚酰亚胺分子链紧密堆砌带来的刚性，提升薄膜低温弯折韧性；将硅硼氧烷化学键合连接至poss笼骨架，在原有硅元素耐蚀基础上引入硼元素构建双元素协同自钝化体系，原子氧轰击时可形成致密复合无机保护层，双层防护能力显著优于单一硅poss改性体系；b-o化学键键能高于si-o键，可提升聚酰亚胺耐热稳定性。

67、2、本发明通过二酐单体、poss笼状结构的协同设计，在聚酰亚胺分子层面实现了刚性与柔性的平衡；二酐单体选自4,4'-异丙叉二苯醚四甲酸二酐、环己烷四甲酸二酐或六氟二酐，其分子结构中含有柔性醚键、脂环结构或大体积含氟侧基，可有效降低分子链的旋转能垒、增大链间自由体积，弱化酰亚胺环与芳香环的刚性堆砌，提升聚酰亚胺膜的柔韧性；同时，poss三维笼状结构作为侧基悬挂于分子链上，可进一步撑开链间距离、削弱链间作用力，提升分子链在外力作用下的滑移与舒展能力，进一步提升聚酰亚胺膜的柔韧性。

68、3、本发明采用4,4'-二氨基苯酰替苯胺作为共聚单体，酰胺键通过分子间强氢键相互作用使分子链在薄膜面内方向高度有序取向、在膜厚方向紧密堆积，有效降低聚酰亚胺膜的热膨胀系数，减小聚酰亚胺膜与硅基太阳能电池片的热膨胀差异；poss的笼状结构可适度撑开分子链间距、增加自由体积，从而降低链间作用力；硅硼氧烷基中的b-o键与二酐单体中的柔性醚键或脂环结构共同降低分子链的旋转能垒、弱化刚性堆砌，在抑制分子链热运动的同时避免过度脆化，使分子链在受热时运动受阻，从而降低热膨胀系数；超薄玻璃层自身热膨胀系数低，与硅基太阳能电池片接近，聚酰亚胺基板整体的等效热膨胀系数远低于纯聚酰亚胺基板，在轨高低温交变-100℃至100℃过程中，封装层间的热应力大幅降低，有效抑制了封装剥离、焊点脱焊等失效模式。

69、4、本发明通过将超薄玻璃层与聚酰亚胺膜通过胶黏剂层复合成一体化基板，利用超薄玻璃层提供高刚性支撑和抗原子氧/抗紫外防护，利用聚酰亚胺膜提供柔性缓冲、抗撕裂保护、抗原子氧；本发明提出以超薄玻璃层与聚酰亚胺膜复合作为空间太阳翼的柔性基板，通过无机/有机材料的协同互补，同时解决纯聚酰亚胺基板热膨胀系数高和纯超薄玻璃基板柔韧性/抗冲击性存在潜在风险的双重技术问题；本发明提出多种构型的聚酰亚胺基板，满足不同卫星平台和应用场景对基板刚性、柔韧性、抗冲击性和面密度的差异化需求；本发明提出聚酰亚胺基板、poe胶膜/硅橡胶、太阳电池、poe胶膜/硅橡胶、防护层的空间太阳翼封装结构体系，充分发挥基板与封装胶膜的匹配优势，实现高可靠、轻量化的柔性太阳翼一体化封装；本发明将化学强化、抗静电涂层、增反射涂层、选择性紫外过滤涂层等增强手段与基板方案有机结合，进一步提升太阳翼的综合在轨性能和发电效率。