【摘 要】
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聚酰亚胺（Polyimide,PI）材料具有适用温度广、化学稳定性高、机械强度高等优异性能,在航天领域得到了广泛应用。由于PI材料在使用过程中将会长期暴露于太空复杂环境中,空间环境中带电粒子会与PI材料中的含有C、H、O、N等原子的分子链发生连续碰撞而产生原子移位等损伤效应并造成能量沉积,带电粒子辐照会导致PI材料出现无定形碳、自由基、不饱和基团和分子交联等复杂化而产生不可逆损伤,使其性能退化或器
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聚酰亚胺（Polyimide,PI）材料具有适用温度广、化学稳定性高、机械强度高等优异性能,在航天领域得到了广泛应用。由于PI材料在使用过程中将会长期暴露于太空复杂环境中,空间环境中带电粒子会与PI材料中的含有C、H、O、N等原子的分子链发生连续碰撞而产生原子移位等损伤效应并造成能量沉积,带电粒子辐照会导致PI材料出现无定形碳、自由基、不饱和基团和分子交联等复杂化而产生不可逆损伤,使其性能退化或器件失效。悬臂增强光声光谱（Cantilever-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy,CE-PAS）检测方法通过悬臂梁与空气耦合共振灵敏地检测PI材料吸收光能产生的光声信号,并根据PI材料光吸收特性变化准确表征其辐照损伤特性,从而为PI材料辐照损伤机理研究、在轨衰退行为预测及抗辐照性能设计提供准确、快速及高效的方法。本文首先建立了聚酰亚胺材料光声模型,确立了PI材料特性参数与光声压的映射关系,并通过解析计算分析了聚酰亚胺薄膜、气凝胶和无纺布材料的光吸收系数及激发光调制频率对其光声信号的影响规律。根据不同光学、热学、尺寸特征的PI试样求解了光声信号的简化解析式。采用集中参数法分析了光声腔与悬臂梁的声学和振动特性,得到了光声腔及悬臂梁一阶固有频率的表达式。采用梁弯曲动力学方程研究了悬臂梁的振动特性,得到了悬臂梁各阶模态频率及模态振型的解析表达式,并建立了悬臂梁与声场耦合作用力学方程。采用有限元法（Finite Element Method,FEM）对悬臂增强光声腔声场分布及其与悬臂梁耦合动态响应进行了仿真分析。针对圆柱形光声腔,研究了腔体尺寸、导管尺寸和导管轴向对其声场分布的影响及规律,得到了腔体及导管的尺寸优化参数。根据建立的悬臂梁与声场耦合理论,研究了悬臂梁耦合振动模态,并分析了悬臂梁位置、方向对其光声腔声场响应特性的影响与规律,为CE-PAS系统光声腔与悬臂梁的参数设计提供了重要指导。研制了悬臂增强光声光谱检测系统并进行了系统性能分析。设计了光声腔、悬臂梁、耦合装置及悬臂梁振动法布里-珀罗光学干涉提取系统,分别采用氙灯-单色仪和激光器作为激发光源,建立了波长扫描CE-PAS与激光CE-PAS检测系统。采用全光学激发与检测方法对悬臂梁的频率响应特性、品质因数、悬臂梁振型及非线性响应特性进行了实验分析与验证。基于研制的CE-PAS检测系统,实验研究了悬臂梁位置对其与光声腔的耦合作用特性的影响与规律,并对激光激发聚酰亚胺气凝胶材料的光声信号频域响应特性及检测系统的灵敏度与信噪比进行了实验研究。对带电粒子辐照聚酰亚胺材料进行了悬臂增强光声光谱检测。建立了PI材料的归一化辐照损伤份数fa,单粒子损伤面积σ,辐照注量φ与其光声信号的映射关系。采用波长扫描CE-PAS方法对重离子辐照损伤PI薄膜、质子辐照损伤PI气凝胶和质子辐照损伤PI无纺布进行了光声光谱检测,验证了光声信号对辐照损伤的敏感性。采用双波长激光CE-PAS方法对聚酰亚胺材料辐照损伤特性参数（fa,σ,φ）进行了检测与表征。
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