空间低轨长寿命飞行器用太阳电池复合互连材料的设计

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1、空间低轨长寿命飞行器用太阳电池复合互连材料的设计／邱沛等·１４３·空间低轨长寿命飞行器用太阳电池复合互连材料的设计＊邱沛，朱家俊，周灵平，李德意，李绍禄（湖南大学材料科学与工程学院，长沙４１００８２）摘要空间太阳电池在低地球轨道工作时受到原子氧等的腐蚀，其互连材料的寿命决定了电池的寿命。为此，设计了一种Ａｇ／Ｍｏ／Ａｇ三层夹心结构的复合互连材料取代目前使用的纯Ａｇ互连材料，选择耐原子氧腐蚀的Ｍｏ作为衬底材料，涂覆Ａｇ薄膜以利于电阻焊接。采用线性规划思路优化求解复合材料各层厚度范围。通过有限元分析模拟了互连片与电池焊接后的应力和形变分布，验证了上述

2、设计结果。根据设计结果实际制备出复合互连材料，经焊接验证其是可行的。关键词互连材料Ａｇ薄膜太阳电池空间Ｍｏ箔中图分类号：ＴＢ３３１；ＴＢ３４文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．１１８９６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２３Ｘ．２０１５．０２．０３１ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｏｌａｒＣｅｌｌＣｏｍｐｏｓｉｔｅＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔＭａｔｅｒｉａｌｆｏｒＬｏｎｇ－ｌｉｆｅＳｐａｃｅｃｒａｆｔｉｎＬｏｗＥａｒｔｈＯｒｂｉｔＱＩＵＰｅｉ，ＺＨＵＪｉａｊｕｎ，ＺＨＯＵＬｉｎｇｐｉｎｇ，ＬＩＤｅｙｉ，ＬＩＳｈａｏｌｕ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥ

3、ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２）ＡｂｓｔｒａｃｔＳｏｌａｒｃｅｌｌｏｆｔｅｎｉｎｔｅｒａｃｔｗｉｔｈａｔｏｍｉｃｏｘｙｇｅｎｉｎｌｏｗＥａｒｔｈｏｒｂｉｔ，ｔｈｕｓｉｔｓｌｉｆｅｔｉｍｅｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｉｎ－ｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｍａｔｅｒｉａｌ．ＡＡｇ／Ｍｏ／ＡｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｕｓｅｄｐｕｒｅＡｇｆｏｉｌｓｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｍａｔｅｒｉａｌ

4、，ｕｓｉｎｇＭｏａｓｓｕｂｓｔｒａｔｅｆｏｒｉｔｓａｔｏｍｉｃｏｘｙｇｅｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｔａｂｉｌｉ－ｔｙ，ａｎｄＡｇｆｉｌｍａｓｃｏａｔｉｎｇｆｏｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗｅｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｉｄｅａｓｏｆｌｉｎｅａｒｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｒａｎｇｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｓｐｏｔｓ，ａｎ

5、ｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｖｅｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｂｏｖｅ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｍａｔｅｒｉａｌｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｉｔｓｗｅｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｔｅｓｔｅｄｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｄｉｔｓｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｍａｔｅｒｉａｌ，ｓｉｌｖｅｒｆｉｌｍ，ｓｏｌａｒｃｅｌｌ，ａｅｒｏｓｐａｃｅ，ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍｆｏｉｌｓ使其下层的银严重氧化。银箔表面通过镀金等保护性涂层，０引言也只能将寿命提高到３～５年。因

6、此设计新型耐复杂空间环近地球轨道（ＬＥＯ）环境与大气层环境截然不同，其主要境的互连材料是空间技术发展的重要方向。特征是原子氧（ＡＯ）含量高、冷热温差大、紫外线辐射（ＵＶ）１基体材料的选择强以及充斥带电粒子、微陨石、空间碎片等。这种环境条件会对空间飞行器用材料产生各种不利影响。在诸多因素中，互连材料的主要功能是实现单体电池的串、并联连接，影响最大的是ＡＯ，且在ＵＶ和高低温循环的协同作用下对形成电流通路，根据工作环境特性，太阳电池互连元件的设材料产生更大的危害［１，２］。而近地空间飞行器的寿命主要取计在互连材料选择方面须考虑４个因素：导电性、制备加工

7、决于能源供应与保障，太阳电池作为其主要电源，它的寿命性能、环境适应性和成本。电导率决定材料的导电性，应尽主要取决于互连材料的寿命。目前国内空间太阳电池组件可能选择电导率高的材料，以减小输电损耗。热膨胀系数、的电连接多采用银互连片，但在近地轨道，由于原子氧的作导热系数、抗拉强度和ＡＯ反应系数等决定材料的环境适应用，银容易被侵蚀而剥落，造成空间飞行器寿命一般仅有性，热膨胀系数是否与电池材料匹配会影响空间冷热交替时２～３年，要提升ＬＥＯ空间太阳电池用材料的使用寿命，必须产生的应力；导热系数会影响电池工作产生的热量能否及时对其进行防原子氧保护或选用其它类

8、型互连片。ｄｅ散发出来进而影响电池的效率；抗拉强度的大小决定材料能［３，４］在研究镀金的银互连片时发现，Ａｕ受ＡＯ的侵蚀速否承受航天器发