CN118801180B - 一种航天器空间导电滑环及其高绝缘性能电刷的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器空间导电滑环及其高绝缘性能电刷的制备方法，旨在增强电刷在极端空间环境下的稳定性和可靠性。在电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面采用PVD气相沉积技术制备双层绝缘膜，内层膜掺杂高热导率及柔性共聚单体和填料，赋予膜层良好的绝缘性能和拉伸柔韧性，确保电刷装配后接触力和传输效率。外层膜掺杂高介电常数和耐环境腐蚀共聚单体和填料，提高绝缘强度和环境适应性。所制备的双层结构电刷绝缘膜层具有优异的抗电绝缘性、耐高低温性、耐腐蚀性和耐候性。活性分子均匀沉积形成致密膜层，避免应力集中和放电隐患。同时采用激光束或离子束去除膜层的关键接触区域，既保证电刷传导又最大限度保留防护功能。

Description

一种航天器空间导电滑环及其高绝缘性能电刷的制备方法

技术领域

本发明属于航天器电气传输以及导电滑环技术领域，涉及用于航天器的空间导电滑环电刷绝缘性能的提升，具体是一种航天器空间导电滑环及其高绝缘性能电刷的制备方法，通过采用高分子绝缘材质和PVD气相沉积法，对电刷进行双层绝缘涂覆，有效提升电刷表面的绝缘防护，增强其在空间环境中的稳定性和可靠性，从而提升航天器关键部件的使用寿命。

背景技术

导电滑环是一种通过两个相对旋转机构实现信号或功率传输的精密电传输装置，广泛应用于航天器的各类设备中，如太阳帆板驱动机构(SADA)、控制力矩陀螺(CMG)、激光通信指向机构(CPA)和空间扫描机构等。由于其工作原理基于摩擦传递，因此在电刷与导电环的摩擦过程中必然会产生磨屑。带电的磨屑在真空、失重和电磁场共同作用下运动规律不定，会造成局部电场增强，也可能导致相邻导体之间发生短路故障，严重时会造成断路，导致航天器能源和控制系统失效。为提高传输效率，导电滑环通常采用多环路设计，相邻环路的电刷平行排列，间距很小，故相邻电刷极易受到带电磨屑影响，导致短路，进而影响航天器的使用和寿命。

此外，针对航天器的特殊需求，很多导电滑环需要传递不同频段的信号，对传输稳定性有较高要求。然而此类滑环的环间距通常较小、电刷距离较近，在空间传输中更容易受到带电磨屑的影响，导致环间信号传输不稳定。同时，多根电刷在传输信号过程中可能会相互干扰，引起信号不稳。其次，SADA装置安装于卫星主体与外空间交接处，直接面对空间等离子体环境，极易成为充放电的侵害对象。电刷与导线焊接处、电刷尖端容易聚集电荷，电荷达到一定阈值后可能发生放电现象，产生的静电放电干扰还会引起其他卫星设备的异常。多次放电后有可能造成导电滑环击穿，导致功率或信号传输异常。

现有针对导电滑环电刷表面的绝缘处理，通常采用套设绝缘热缩管的方式，然而该方式存在问题较多，例如：对间距小的电刷具有较大限制，操作难度大且热缩过程会影响材料的弹性模量和强度；热缩管也无法同时覆盖电刷主体、尖端和电刷-导线连接处；热缩套管与电刷的无法完全粘接，带电粒子会从间隙进入导致放电，同时热缩套管如果脱落在真空中会成为漂浮物并聚集大量电荷，增大放电击穿概率；热缩套管相对较厚，热塑后弹性较差，影响电刷与导电环的接触压力；热缩套管影响电刷角度成型及接触压力控制，例如盘式滑环电刷接触点为弧面，成型后很难再进行套管热缩等。

综上所述，提高空间导电滑环电刷的绝缘性能，对于保证航天器能源和控制系统的可靠运行、延长导电滑环的使用寿命、确保信号传输的稳定性以及降低静电放电风险等具有重要意义，然而现有电刷表面绝缘处理技术存在诸多局限性，因此，迫切需要开发出一种能够有效提高电刷绝缘性能的新方法，既能确保电刷与导电环之间的可靠接触，又能防止带电磨屑沉积和电荷积聚引起的静电放电，并可在真空环境下长期可靠使用，是亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)发明目的

针对现有导电滑环电刷绝缘性能不足等缺陷和不足，为解决现有技术中的上述以及其他方面的至少一种技术问题，本发明的目的是提供一种航天器空间导电滑环及其高绝缘性能电刷的制备方法，通过采用高分子绝缘材质对滑环电刷表面进行PVD气相沉积双层涂覆，形成厚度均匀、结合力好、韧性强、抗电强度大的内外层绝缘膜，实现对电刷主体等的全面绝缘防护，避免带电磨屑影响，提高电刷的绝缘性能，降低空间环境中的放电风险，延长导电滑环的使用寿命。

(二)技术方案

为实现该发明目的，解决其技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的第1个发明目的在于提供一种航天器空间导电滑环结构，以提升电刷绝缘性能，确保在真空、强辐射、极端温度变化等极端空间环境下电刷与导电环之间的稳定电气连接，适用于太阳帆板驱动机构、控制力矩陀螺、激光通信指向机构、空间扫描机构等设备中信号或功率的传输，至少包括导电环及电刷组件，其特征在于：

所述电刷组件中各电刷的主体部分及各电刷与导线的焊点的表面上形成有绝缘膜层，所述绝缘膜层呈双层结构，采用高分子绝缘材质对二甲苯聚合物并通过PVD气相沉积工艺形成在电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面，包括内层绝缘膜和外层绝缘膜；其中，

所述内层绝缘膜形成为电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面的绝缘基底，其所使用的高分子绝缘材质中掺杂有高热导率及柔性的共聚单体和/或添加有高导热及高延伸性填料，以提高内层绝缘膜的导热性和拉伸性，且在其PVD气相沉积过程中，通过降低沉积速度以确保膜层的致密性和均匀性，并通过控制沉积过程中的基材温度，以减少材料在沉积过程中的热应力和尺寸变化，保证膜层的机械稳定性；

所述外层绝缘膜覆盖在内层绝缘膜的外表面，其所使用的高分子绝缘材质中掺杂有高介电常数和耐环境腐蚀性的极性共聚单体和/或添加有高介电常数和耐候性填料，以提高外层绝缘膜的介电性能和耐环境适应性，且在其PVD气相沉积过程中，通过适度提高沉积速率和真空度，以确保膜层的均匀性和结合力，并通过控制沉积过程中的基材温度和离子注入，在膜层中引入适度缺陷态以优化电荷载流子俘获和传输特性。

本发明的第2个发明目的在于提供一种航天器空间导电滑环中高绝缘性能电刷的制备方法，其特征在于，所述方法在实施时主要包括以下步骤：

SS1.电刷表面准备处理：

对将航天器导电滑环中电刷组件的电刷主体部分及电刷与导线的焊点的金属活性表面进行化学清洁和/或离子束抛光工艺预处理，以去除表面的污染物及微小颗粒和/或表层氧化物，确保电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面的洁净和活性；

SS2.内层绝缘膜的制备：

采用PVD气相沉积法，通过控制反应气体比例、总压强度、离子能量和/或基材温度参数，并通过降低沉积速度，在电刷主体部分及电刷与导线的焊点的金属活性表面选择性地沉积一层高分子绝缘材质的内层绝缘膜作为绝缘基底，且其高分子绝缘材质中掺杂有高热导率及柔性的共聚单体和/或添加有高导热及高延伸性填料；

SS3.外层绝缘膜的制备：

采用PVD气相沉积法，通过适度提高沉积速率和真空度，并通过控制沉积过程中的基材温度，在内层绝缘膜的外表面沉积一层高分子绝缘材质的外层绝缘膜，该膜层的高分子绝缘材质中掺杂高介电常数和耐环境腐蚀性的极性共聚单体和/或添加高介电常数和耐候性填料，且在沉积过程中通过控制注入离子的能量和剂量在膜层中引入微量缺陷态以优化电荷俘获和传输特性；

SS4.不需要绝缘防护位置的处理：

在沉积过程中使用遮蔽掩膜覆盖电刷组件中不需要绝缘保护的区域，或者在完成绝缘膜层的沉积后，通过采用高精度激光束切割或聚焦离子束刻蚀工艺，将形成在不需要绝缘防护位置的膜层选择性去除；

SS5.膜层表面的热处理及修饰改性：

在膜层沉积完成后，对整个电刷组件进行热处理以消除沉积过程中的残余应力，并通过低能离子注入技术对外层绝缘膜表面进行修饰改性，提高膜层与电刷主体部分及电刷与导线的焊点的界面结合力，增强膜层的机械性能和稳定性。

通过以上步骤，本发明提供了一种提高航天器中空间导电滑环电刷绝缘性能的方法，确保在真空、强辐射、极端温度变化等极端空间环境下，电刷与导电环之间的稳定电气连接，适用于太阳帆板驱动机构、控制力矩陀螺、激光通信指向机构、空间扫描机构等设备中的信号或功率传输。

(三)技术效果

同现有技术相比，本发明的航天器空间导电滑环及其高绝缘性能电刷的制备方法，具有以下有益且显著的技术效果：

(1)本发明提出了一种航天器空间导电滑环及其高绝缘性能电刷的制备方法，内层绝缘膜采用掺杂热导率和柔性改性剂的聚合物材料，赋予膜层良好的绝缘性能和一定拉伸性，确保电刷装配后接触力和传输效率；外层绝缘膜引入高介电常数和耐腐蚀性基团，提高绝缘强度和环境适应性。本发明通过对内外层绝缘膜的材质选配，使得电刷满足抗电强度的同时具备一定拉伸性，使得电刷装配后形变量产生的接触力不受影响。

(2)本发明采用PVD气相沉积技术制备内外层绝缘膜，所采用的对二甲苯聚合物具有优异的电绝缘性和防护性，可有效抵抗滑环产生的带电磨屑引发的故障；对二甲苯聚合物为高分子材质，活性小分子在微小型面基材上沉积形成厚度均匀、致密性好的膜层，可有效降低真空中电刷尖端放电风险。对二甲苯聚合物的活性分子具有良好穿透性，无孔不入，可对导线与电刷焊接点形成的不规则型面进行均匀涂覆，降低该部位真空中电荷聚集从而放电的风险。对二甲苯聚合物具备良好防潮、防水、防腐蚀性大气、防盐雾和霉菌等效果，可有效提高导电滑环的地面贮存期。聚对二甲苯涂覆可作为电刷组件制备的最后工序，在电刷成型后进行。膜层不会因电刷成型遭到外力损伤对二甲苯聚合物采用PVD方式进行涂覆，且该材质不具备流动性，膜层均匀，不会在电刷弯折曲面和焊点产生桥接和堆聚，保证电刷应力均匀。

(3)本发明对于不需要涂覆的位置，边界要求不高的位置可采用掩膜和机械切割的方式；而边界要求高的位置(例如接触点)，可使用激光去除，激光去除可有效控制去除位置，得到尺寸精度高、边界清晰的导通位置。对于不同厚度的膜层，可通过控制激光能量范围将需去除的膜层气化，可实现既去除膜层又不伤害电刷金属本体的效果，不会产生多余物。

(4)本发明所制备的多层绝缘膜层具有优异的抗电绝缘性、耐高低温性、耐腐蚀性和耐候性等综合性能，可有效抵御空间环境辐照、原子氧腐蚀等严酷条件，提高滑环的工作可靠性；良好的防护和阻隔作用也显著提高了滑环产品的地面贮存期。

附图说明

图1是适用于航天器中的空间圆盘式导电滑环结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是圆盘式导电滑环中电刷组件(电刷为刷块形式)结构示意图；

图4是适用于航天器中的空间圆柱式导电滑环结构示意图；

图5是电刷与导电环导通位置示意图；

图6是圆柱式导电滑环中电刷组件(电刷为刷丝形式)结构示意图；

图7是电刷组件中镀膜后电刷部件(刷丝形式)的横截面结构示意图；

图8是本发明的提高航天器中空间导电滑环电刷绝缘性能的方法示意图。

附图标记说明：

导电环10，电刷组件20，电刷支撑架21，电刷22，内层绝缘膜23，外层绝缘膜24，电刷与导线的焊点25，电刷与导电环的接触点26。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

本发明的目的是提供一种航天器空间导电滑环及其高绝缘性能电刷的制备方法，通过采用高分子绝缘材质对滑环电刷表面进行PVD气相沉积双层涂覆，形成厚度均匀、结合力好、韧性强、抗电强度大的内外层绝缘膜，实现对电刷主体等的全面绝缘防护，避免带电磨屑影响，提高电刷的绝缘性能，降低空间环境中的放电风险，延长导电滑环的使用寿命。

实施例1

作为一个具体的实例，如图1～7所示，本发明的航天器空间导电滑环结构，导电滑环可以为圆盘式导电滑环结构(如图1～3所示)，也可以是圆柱式导电滑环结构(如图4～6所示)，以提升电刷绝缘性能，确保在真空、强辐射、极端温度变化等极端空间环境下电刷与导电环之间的稳定电气连接，适用于太阳帆板驱动机构、控制力矩陀螺、激光通信指向机构、空间扫描机构等设备中信号或功率的传输，导电滑环至少包括导电环10及电刷组件20，电刷组件20包括电刷支撑架21以及电刷22(可以为图3所示的刷块形式，也可为图6所示的刷丝形式，或其他合适结构形式)。

电刷组件20中各电刷22的主体部分以及各电刷与导线的焊点25的表面上形成有绝缘膜层，绝缘膜层呈双层结构，采用高分子绝缘材质对二甲苯聚合物并通过PVD气相沉积工艺形成在电刷表面，包括内层绝缘膜23和外层绝缘膜24(如图7所示)。

内层绝缘膜23形成为电刷22主体部分及电刷与导线的焊点25表面的绝缘基底，使用的高分子绝缘材质中掺杂有高热导率及柔性的共聚单体和/或添加有高导热及高延伸性填料，以提高内层绝缘膜的导热性和拉伸性，且在其PVD气相沉积过程中，通过降低沉积速度以确保膜层的致密性和均匀性，并通过控制沉积过程中的基材温度，以减少材料在沉积过程中的热应力和尺寸变化，保证膜层的机械稳定性。

外层绝缘膜24覆盖在内层绝缘膜23的外表面，其所使用的高分子绝缘材质中掺杂有高介电常数和耐环境腐蚀性的极性共聚单体和/或添加有高介电常数和耐候性填料，以提高外层绝缘膜的介电性能和耐环境适应性，且在其PVD气相沉积过程中，通过适度提高沉积速率和真空度，以确保膜层的均匀性和结合力，并通过控制沉积过程中的基材温度和离子注入，在膜层中引入适度缺陷态以优化电荷载流子俘获和传输特性。

一些优选的实例中，内层绝缘膜23所使用的高分子绝缘材质中掺杂的高热导率及柔性的共聚单体包括聚苯醚(PPE)和/或聚氨酯(PU)，所添加的高导热及高延伸性填料包括碳纳米管(CNTs)和/或氧化铝纳米颗粒(Al₂O₃)，所添加的高延伸性填料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或纤维锡酸锆纳米线，且高分子绝缘材质中引入有机硅交联剂或丙烯酸酯类交联剂进行修饰。通过这些材料的协同作用，使得形成的内层绝缘膜具备优异的导热性和机械强度，同时具有显著的延展性和抗裂性能，以适应航天器复杂工作环境。

此外，内层绝缘膜23的PVD气相沉积过程中，其沉积速度控制在5-15nm/min，沉积过程中基材温度控制在100-150℃。通过精确控制沉积速度和基材温度，可以确保膜层的致密性和均匀性，减少内部缺陷和应力，从而提高膜层的机械稳定性和热稳定性，满足在极端空间环境下的长期使用要求。

同时，内层绝缘膜23在沉积完成后，进行80-150℃的低温退火热处理，持续时间为2-4h，以进一步消除沉积过程中的残余应力，并通过等离子体活性氧/氩离子束轰击表面修饰，改善膜层与电刷主体部分及电刷与导线的焊点的界面结合力。热处理能够增强膜层的机械性能和稳定性，而表面修饰则提高了膜层的附着力和耐磨性，确保内层绝缘膜在电刷工作过程中的可靠性和耐久性。

一些优选的实例中，外层绝缘膜24所使用的高分子绝缘材质中掺杂的高介电常数和耐环境腐蚀性的极性共聚单体包括聚苯硫醚(PPS)和/或氟化物聚合物(PTFE)，所添加的高介电常数填料包括钛酸钡(BaTiO₃)和/或铌酸锂(LiNbO₃)，所添加的耐候性填料包括二氧化硅(SiO2)纳米颗粒和/或氮化硼(BN)微粉。通过这些材料的组合，外层绝缘膜不仅具备高介电常数和优异的电气性能，还具有优良的耐环境腐蚀性和耐候性，以保证在极端空间环境下的稳定性和可靠性。

同时，外层绝缘膜24的PVD气相沉积过程中，其沉积速度高于内层绝缘膜并控制在20-50nm/min，沉积过程中基材温度控制在80-120℃，真空度控制在10^-4-10^-6Pa，并采用离子束辅助沉积，通过离子注入诱导形成一定缺陷态，以优化膜层的电荷俘获和输运性能。

此外，外层绝缘膜24在沉积完成后，优选进行低温退火处理，退火温度控制在120-150℃，持续时间为1-3h，以减少膜层中的残余应力并改善其机械性能；同时，采用紫外光照射对膜层表面进行修饰，以提高外层绝缘膜的抗辐射能力和表面硬度。通过退火处理和表面修饰，进一步增强了外层绝缘膜的综合性能，确保其在极端空间环境下的长期稳定性和可靠性。

一些优选的实例中，对于不需要绝缘防护的位置，包括电刷支撑架21以及各电刷22与导电环的接触点26(如图5所示)，在对电刷表面进行PVD气相沉积形成绝缘膜层之前，预先采用阻隔性良好的掩膜将该部分区域进行包覆遮蔽，使绝缘膜层选择性地沉积于需要绝缘保护的电刷主体部分及电刷与导线的焊点的金属活性表面区域；或在绝缘膜层制备完成后，通过采用高精度激光束切割或聚焦离子束刻蚀工艺，将形成在不需要绝缘防护位置的膜层选择性去除。

实施例2

在上述实施例1的基础上，本实施例重点介绍本发明的上述结构中高绝缘性能电刷的制备方法，如图8所示，该方法在实施时主要包括：

SS1.电刷表面准备处理：

对将航天器导电滑环中电刷组件的电刷主体部分及电刷与导线的焊点的金属活性表面进行化学清洁和/或离子束抛光工艺预处理，以去除表面的氧化物、污染物及微小颗粒，确保电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面的洁净和活性。例如还可以采用等离子体处理技术对电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面进行活化，处理时间为30-60秒，功率为50-100W。

SS2.内层绝缘膜的制备：

采用PVD气相沉积法，通过控制反应气体比例、总压强度、离子能量和/或基材温度参数，并通过降低沉积速度，在电刷主体部分及电刷与导线的焊点的金属活性表面选择性地沉积一层高分子绝缘材质的内层绝缘膜作为绝缘基底，且其高分子绝缘材质中掺杂有高热导率及柔性的共聚单体和/或添加有高导热及高延伸性填料。

更加具体地，采用PVD气相沉积法制备内层绝缘膜时，将电刷置于PVD沉积腔室内，通过控制反应气体比例、总压强度、离子能量和基材温度参数(例如可以为100-150℃)，并通过降低沉积速度至10-15nm/min，沉积时间为60-120min在电刷主体部分及电刷与导线的焊点的金属活性表面选择性地沉积一层高分子绝缘材质的内层绝缘膜作为绝缘基底；该高分子绝缘材质中掺杂有高热导率及柔性的共聚单体(如聚苯醚PPE和聚氨酯PU)和/或添加有高导热及高延伸性填料(如碳纳米管CNTs和氧化铝纳米颗粒Al₂O₃)，以提高内层绝缘膜的导热性和拉伸性。通过精确控制沉积速度和基材温度，可以确保膜层的致密性和均匀性，减少内部缺陷和应力，从而提高膜层的机械稳定性和热稳定性，满足在极端空间环境下的长期使用要求。

此外，内层绝缘膜在沉积完成后，进行80-150℃的低温退火热处理，持续时间为2-4h，以进一步消除沉积过程中的残余应力，并通过等离子体活性氧/氩离子束轰击表面修饰，改善膜层与电刷主体部分及电刷与导线的焊点的界面结合力。热处理能够增强膜层的机械性能和稳定性，而表面修饰则提高了膜层的附着力和耐磨性，确保内层绝缘膜在电刷工作过程中的可靠性和耐久性。

SS3.外层绝缘膜的制备：

采用PVD气相沉积法，通过适度提高沉积速率和真空度，并通过控制沉积过程中的基材温度，在内层绝缘膜的外表面沉积一层高分子绝缘材质的外层绝缘膜，该膜层的高分子绝缘材质中掺杂高介电常数和耐环境腐蚀性的极性共聚单体和/或添加高介电常数和耐候性填料，且在沉积过程中通过控制注入离子的能量和剂量在膜层中引入微量缺陷态以优化电荷俘获和传输特性。

更加具体地，采用PVD气相沉积法，通过适度提高沉积速率至20-30nm/min和真空度(真空度控制在10^-4-10^-6Pa)，并通过控制沉积过程中的基材温度在90-110℃，在内层绝缘膜的外表面沉积一层高分子绝缘材质的外层绝缘膜；该高分子绝缘材质中掺杂有高介电常数和耐环境腐蚀性的极性共聚单体(如聚苯硫醚PPS和氟化物聚合物PTFE)和/或添加高介电常数和耐候性填料(如钛酸钡BaTiO₃和铌酸锂LiNbO₃)，且在沉积过程中通过控制注入离子的能量和剂量在膜层中引入适量缺陷态，以优化电荷俘获和传输特性。

此外，外层绝缘膜在沉积完成后，进行低温退火处理，退火温度控制在120-150℃，持续时间为1-3h，以减少膜层中的残余应力并改善其机械性能；同时，采用紫外光照射对膜层表面进行修饰，以提高外层绝缘膜的抗辐射能力和表面硬度。通过退火处理和表面修饰，进一步增强了外层绝缘膜的综合性能，确保其在极端空间环境下的长期稳定性和可靠性。

SS4.不需要绝缘防护位置的处理：

对于不需要绝缘防护的位置，包括电刷支撑架以及各电刷与导电环的接触点，在对电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面进行PVD气相沉积形成绝缘膜层之前，预先采用阻隔性良好的金属掩模片或高温陶瓷掩膜将该部分区域进行包覆遮蔽，使绝缘膜层选择性地沉积于需要绝缘保护的电刷主体部分及电刷与导线的焊点的金属活性表面区域；或在绝缘膜层制备完成后，通过采用高精度激光束切割或聚焦离子束刻蚀工艺，将形成在不需要绝缘防护位置的膜层选择性去除。

SS5.膜层表面的热处理及修饰改性：

在膜层沉积完成后，对整个电刷组件进行热处理以消除沉积过程中的残余应力，并通过低能离子注入技术对外层绝缘膜表面进行修饰改性，提高膜层与电刷主体部分及电刷与导线的焊点的界面结合力，增强膜层的机械性能和稳定性。

通过以上步骤，本发明提供了一种提高航天器中空间导电滑环电刷绝缘性能的方法，确保在真空、强辐射、极端温度变化等极端空间环境下，电刷与导电环之间的稳定电气连接，适用于太阳帆板驱动机构、控制力矩陀螺、激光通信指向机构、空间扫描机构等设备中的信号或功率传输。

一些优选的实例中，在完成膜层表面的热处理及修饰改性后，还包括对电刷组件进行绝缘性能测试以及整体性能测试的步骤，具体为：

SS6.电刷组件的绝缘性能测试：

对处理完成的电刷组件进行绝缘性能测试，确保其满足航天器中空间导电滑环的绝缘要求，包括：

(1)绝缘电阻测试：

使用电阻计在500V直流电压下测量电刷组件的绝缘电阻；

要求绝缘电阻不低于500MΩ，测试时间持续1分钟；

在常温、高温(85℃)和低温(-55℃)条件下分别进行测试，确保绝缘性能的温度稳定性。

(2)耐电压测试：

使用耐压测试仪对电刷组件施加1000V交流电压；

测试时间持续1分钟，要求无击穿或闪络现象；

在常温、高温(85℃)和低温(-55℃)条件下分别进行测试。

(3)介电强度测试：

使用介电强度测试仪测量电刷组件的介电强度；

要求介电强度不低于50kV/mm；

在常温、高温(85℃)和低温(-55℃)条件下分别进行测试。

(4)局部放电测试：

使用局部放电测试仪测量电刷组件的局部放电水平；

要求在工作电压下，局部放电量不超过10pC；

在模拟真空环境(1×10^-5Pa)下进行测试。

SS7.电刷组件的整体性能测试：

对处理完成的电刷组件进行最终检验，确保其满足航天器中空间导电滑环的使用要求，包括：

(1)外观检查：

使用高倍显微镜对电刷组件表面进行检查；

确保绝缘膜层表面无明显缺陷、裂纹或气泡；

检查电刷与导电环接触点的绝缘膜去除情况，确保去除干净且边界清晰。

(2)尺寸测量：

使用精密测厚仪测量绝缘膜层厚度；

要求膜层厚度在设计范围内，误差不超过±5％；

测量电刷组件的关键尺寸，确保符合设计要求。

(3)接触电阻测试：

使用微欧姆计测量电刷与导电环接触点的接触电阻；

要求接触电阻不超过10mΩ；

在常温、高温(85℃)和低温(-55℃)条件下分别进行测试。

(4)模拟环境测试：

a.真空环境测试：

-将电刷组件置于1×10^-5Pa真空环境中；

-保持24小时，观察绝缘膜层是否出现脱落或变形；

-测试真空环境下的绝缘性能和接触电阻。

b.热循环测试：

-将电刷组件置于温度范围为-55℃至+85℃的热循环箱中；

-进行50次热循环，每个循环持续2小时；

-测试热循环后的绝缘性能和接触电阻。

c.辐照测试：

-将电刷组件置于模拟空间辐射环境中；

-总剂量不低于100krad(Si)；

-测试辐照后的绝缘性能和接触电阻。

(5)寿命测试：

在模拟空间环境下进行电刷组件的加速寿命测试；

测试时间不少于1000小时，或旋转次数不少于100万次；

定期测量绝缘性能和接触电阻，确保其在整个寿命周期内保持稳定。

(6)电磁兼容性测试：

进行电磁发射和电磁敏感度测试；

确保电刷组件满足航天器电磁兼容性要求。

通过上述绝缘性能测试和整体性能测试，可以全面评估处理后电刷组件的性能，确保其满足航天器中空间导电滑环的严格使用要求，提高产品的可靠性和使用寿命。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种航天器空间导电滑环结构，包括导电环及电刷组件，其特征在于，所述电刷组件中各电刷的主体部分及各电刷与导线的焊点表面上形成有绝缘膜层，所述绝缘膜层呈双层结构，包括内层绝缘膜和外层绝缘膜，其中：

所述内层绝缘膜形成为电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面的绝缘基底，其所使用的高分子绝缘材质中掺杂有高热导率及柔性的共聚单体并添加有高导热及高延伸性填料，且在其PVD气相沉积过程中，通过降低沉积速度以确保膜层的致密性和均匀性，并通过控制沉积过程中的基材温度，以减少材料的热应力和尺寸变化，并且其中：

所述内层绝缘膜的PVD气相沉积过程中，其沉积速度控制在5-15 nm/min，沉积过程中基材温度控制在100-150 ℃，

所述内层绝缘膜在沉积完成后，进行80-150 ℃的低温退火热处理，持续时间为2-4 h，并通过等离子体活性氧/氩离子束轰击表面修饰；

所述外层绝缘膜覆盖在内层绝缘膜的外表面，其所使用的高分子绝缘材质中掺杂有高介电常数和耐环境腐蚀性的极性共聚单体并添加有高介电常数和耐候性填料，且在PVD气相沉积过程中，通过适度提高沉积速率和真空度，以确保膜层的均匀性和结合力，并通过控制沉积过程中的基材温度和离子注入，在膜层中引入适度缺陷态以优化电荷载流子俘获和传输特性，并且其中：

所述外层绝缘膜的PVD气相沉积过程中，其沉积速度高于内层绝缘膜并控制在20-50nm/min，沉积过程中基材温度控制在80-120 ℃，真空度控制在10^-4-10^-6 Pa，并采用离子束辅助沉积，通过离子注入诱导形成一定缺陷态，以优化膜层的电荷俘获和输运性能，

所述外层绝缘膜在沉积完成后，进行低温退火处理，退火温度控制在120-150 ℃，持续时间为1-3 h；同时，采用紫外光照射对膜层表面进行修饰；

对于电刷组件中不需要绝缘防护的位置，包括电刷支撑架以及各电刷与导电环的接触点，在对电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面进行PVD气相沉积形成绝缘膜层之前，预先采用阻隔性良好的掩膜将该部分区域进行包覆遮蔽；或在绝缘膜层制备完成后，通过采用高精度激光束切割或聚焦离子束刻蚀工艺，将形成在不需要绝缘防护位置的膜层选择性去除。

2.根据权利要求1所述的航天器空间导电滑环结构，其特征在于，所述内层绝缘膜中，其高分子绝缘材质中掺杂的高热导率及柔性的共聚单体包括聚苯醚（PPE）和/或聚氨酯（PU），所添加的高导热及高延伸性填料包括碳纳米管（CNTs）和/或氧化铝纳米颗粒（Al₂O₃），所添加的高延伸性填料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和/或纤维锡酸锆纳米线，且高分子绝缘材质中引入有机硅交联剂或丙烯酸酯类交联剂。

3.根据权利要求1所述的航天器空间导电滑环结构，其特征在于，所述外层绝缘膜中，其高分子绝缘材质中掺杂的极性共聚单体包括聚苯硫醚（PPS）和/或氟化物聚合物（PTFE），所添加的高介电常数填料包括钛酸钡（BaTiO₃）和/或铌酸锂（LiNbO₃），所添加的耐候性填料包括二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒和/或氮化硼（BN）微粉。

4.一种上述权利要求1~3任一项所述的航天器空间导电滑环结构中高绝缘性能电刷的制备方法，其特征在于，所述制备方法在实施时主要包括以下步骤：

SS1. 电刷表面准备处理：

对将航天器导电滑环中电刷组件的电刷主体部分及电刷与导线的焊点的金属活性表面进行化学清洁和/或离子束抛光工艺预处理，以去除表面的污染物及微小颗粒和/或表层氧化物、污染物及微小颗粒，确保电刷主体部分及电刷与导线的焊点表面的洁净和活性；

SS2. 内层绝缘膜的制备：

采用PVD气相沉积法，通过控制反应气体比例、总压强度、离子能量和/或基材温度参数，并通过降低沉积速度，在电刷主体部分及电刷与导线的焊点的金属活性表面选择性地沉积一层高分子绝缘材质的内层绝缘膜作为绝缘基底，且其高分子绝缘材质中掺杂有高热导率及柔性的共聚单体和/或添加有高导热及高延伸性填料；

SS3. 外层绝缘膜的制备：

采用PVD气相沉积法，通过适度提高沉积速率和真空度，并通过控制沉积过程中的基材温度，在内层绝缘膜的外表面沉积一层高分子绝缘材质的外层绝缘膜，该膜层的高分子绝缘材质中掺杂高介电常数和耐环境腐蚀性的极性共聚单体和/或添加高介电常数和耐候性填料，且在沉积过程中通过控制注入离子的能量和剂量在膜层中引入微量缺陷态以优化电荷俘获和传输特性；

SS4. 不需要绝缘防护位置的处理：

在沉积过程中使用遮蔽掩膜覆盖电刷组件中不需要绝缘保护的区域，或者在完成绝缘膜层的沉积后，通过采用高精度激光束切割或聚焦离子束刻蚀工艺，将形成在不需要绝缘防护位置的膜层选择性去除；

SS5. 膜层表面的热处理及修饰改性：

在膜层沉积完成后，对整个电刷组件进行热处理以消除沉积过程中的残余应力，并通过低能离子注入技术对外层绝缘膜表面进行修饰改性。

5.根据权利要求4所述的航天器空间导电滑环中高绝缘性能电刷的制备方法，其特征在于，在完成膜层表面的热处理及修饰改性后，还包括对电刷组件进行绝缘性能测试以及整体性能测试的步骤：

SS6. 电刷组件的绝缘性能测试：

对处理完成的电刷组件进行绝缘性能测试，确保其在极端空间环境下的稳定性和可靠性，至少包括：

在真空和极端温度条件下，通过施加高压直流电，测试膜层在不同真空度和温度下的体积电阻率和表面电阻率，确保其电阻性能符合绝缘等级要求；

在高电压和高频电场条件下，通过施加交变电场，测试电刷组件在不同频率和温度下的介电强度和介电损耗，确保其介电性能符合绝缘等级要求；

在高电压条件下，通过施加脉冲电压，测试电刷组件的放电起痕值和电晕发生临界电压，确保膜层具备优异的抗电晕和耐高压绝缘能力；

SS7. 电刷组件的整体性能测试：

对处理完成的电刷组件进行最终检验，确保其满足航天器中空间导电滑环的使用要求，至少包括：

机械性能测试：模拟航天器在轨运行中的真空环境和温度条件，对电刷组件进行拉伸、压缩和弯曲测试，确保其在机械应力下的稳定性和耐久性；

热循环测试：模拟航天器在轨运行中的温度变化，对电刷组件进行热循环测试，确保其在极端温度变化中的性能稳定；

电气连接测试：模拟航天器在轨运行中的温度变化，测试电刷组件与导电环之间的电气连接的导通性和稳定性，确保信号和功率传输的可靠性；

长期稳定性测试：模拟空间环境的真空、强辐射和极端温度条件，对电刷组件进行长时间稳定性测试，评估电刷组件在复杂环境中的使用寿命。