材料热膨胀系数对太阳电池板应力的影响.pdf

2005年度结构强度与环境工程专委会与航天牢闻环境工程信电网学术讨论会 131 材料热膨胀系数对太阳电池板应力的影响 王晓燕1，耿洪滨‘，何世禹‘，杨德庄2，徐寿岩2 (1．哈尔滨工业大学．哈尔滨150001；2．电子工业部第18研究所) 摘要；解析法研究了材料热膨胀系数对温度场中太阳电池板最大应力的影响．分析结果表明：聚酰亚胺 及与其相邻的硅橡胶中存在最大拉压厦切应h，选用较低热膨胀系数的聚酰亚胺薄膜可以显著降低结构最走 应力值． 关键词：解析法；温度场：太阳电池板；热膨胀系数 1前言 太阳屯池是利用半导体的量子效应．直接把太阳能转变为电能，作为航天器的理想电源得到了十 分广泛的应用。为了防止电池片受原子氧、带电粒子、紫外线和温度交变等空间环境因素的作用，需 采用透明、耐辐射、粘性好及能承受空间环境因素作用的胶粘剂将玻璃盖片、硅片和聚酰距胺薄膜顺 次包封【14I。 航天器在轨服役期间，常常经受较大温度变化的热循环作用，在低地球轨道运行时的温度一般在 ．101℃~93℃范围内变化，而在高地球轨道时温度变化范围更大。太刚电池扳由多种材料胶接，且不同 材料的热膨胀系数及弹性模量各不相同，在空间温度场作用下会产生热应力，影响航天器运行的可靠 性和使用寿命p“。 本文在一维模型的基础上用解析法研究了组成材料的热膨胀系数对结构应力的影响．提出了降低 残余热应力的方法．以改善太阳电池板在温度场中的应力分布，提高使用寿命。 2研究对象 选用硅晶片为太阳电池，石英玻璃为防护盖片，聚酰亚胺薄膜为绝缘材料，硅橡胶为胶接材料。 物和硅橡胶的主要性能指标，如表I。 图I太阳电池试样形貌及电池板结构示意图 基金项目：t973”资助项目国家重点基础研究专项经费资助课题(G】9990650】 !丝 !!堕生枣堡塑塑星皇堑丝王堡主耋垒皇堕丞至四堑撞王堡堕星塑堂查堕丝叁 表1被粘接物疑胶粘剂的主要性能 3数值模拟模型的建立 建立图2所示的模型，结构沿水平方向受单位欧度力．Ⅳ；o、川。作用，同时位于,AT的温度场中，每 层材料沿z，，方向各向同性，假设结构的剪切变形完全集中在胶层中…1”，于是有下列方程组： Z 图2太阳电池扳受力示意图 州h十』V2j十』Vh=．Nto+．|v∞十／Y30 华+fl,：o；_dlV2．+奶一9-,：o； ∞C m 訾_Q2=o 由物理及力学定律有下列关系式【”删： ，=半*邑；‘=老地△r 方程(1)和(3)代入(2)中井整理得到下列常系数微分方程： ^譬+^譬q忙^ (4) 微分方程的系数为： 4训喜‰+丢+警 三嚏苎量!堑墼垫坐些墨垫堕查堕皇垫堡鏖垄盐壁堕 !垫 妒如喜(翻 妒仇[粥砉c抄嚣喜c别 爿^=—PCIP—C2 ，口，=口…¨AT一口。△r·口“为被粘接材料的热膨胀系数 求解微分方程(4)得到太阳电池板的应力分布： 叽j2百lqsMt：砷+‘曲(如J)+孚I 吒=非翟潞爿 I M(cl妯(‘。)+c2。厮(置。))+ 铲剖筮竺怕州纠) * r．Ⅳ10^-^，-20▲^，Jo 驴击l!警品 觑缸 士 蹴蒌差讹眦渤 k《差臻黧黜)] 兵中， 盯．：：坐筮：丝，￡』。l+M』， 以=壶鹕=老 kj为 方程(4)的特征方程的根，q根据下列边界条件确定 x=zl：NiJ=NIo，Ⅳ2工；Ⅳ20； !!兰 !!堕生堕堑塑塑堕皇堑鐾三矍主耋叁蔓堕丞窒回堑撞王墨垡皇旦堂查进堡垒 z=x2：Ⅳl，=Nl。，Ⅳ2z=N2月； 的数值解。 4材料热膨胀