基于非牛頓流體力學(xué)的太陽(yáng)電池粘接工藝研究和參數(shù)化設(shè)計(jì).pdf

1、用于太空中的太陽(yáng)電池由于所處環(huán)境的特殊性,需要在其表面上粘接一層玻璃蓋片,以抵抗空間粒子射線的輻照。傳統(tǒng)的將太陽(yáng)電池與抗輻照玻璃蓋片粘接起來(lái)的方法是采用硅樹(shù)脂橡膠粘合劑或者聚四氟乙烯粘合劑。更先進(jìn)的粘接方法如靜電封裝,可不通過(guò)任何粘接介質(zhì)將玻璃蓋片直接封裝到硅太陽(yáng)電池或者砷化鎵太陽(yáng)電池上,前提是玻璃蓋片和太陽(yáng)電池的熱膨脹系數(shù)必需匹配。在我國(guó),受各種相關(guān)前后制作工藝發(fā)展的制約,目前仍采用硅橡膠粘合劑來(lái)封裝空間太陽(yáng)電池。
　　 課題

2、背景是上?？臻g電源研究所根據(jù)國(guó)防科工委關(guān)于“高新工程-1”中國(guó)航天集團(tuán)公司第八研究院八一一研究所、八零九研究所建設(shè)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告的批復(fù),委托上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)器人研究所而進(jìn)行的研究項(xiàng)目。合同書(shū)規(guī)定研制一套太陽(yáng)電池方陣自動(dòng)貼片系統(tǒng),包括抗輻照玻璃蓋片封裝系統(tǒng)和太陽(yáng)電池串布貼系統(tǒng)。本文研究的對(duì)象是第一個(gè)系統(tǒng)--空間太陽(yáng)電池抗輻照玻璃蓋片封裝系統(tǒng)。本論文的研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金--空間太陽(yáng)基板表面超薄柔性電池串自動(dòng)貼裝機(jī)

3、理研究(No.6067.5040)、面向空間太陽(yáng)能電站的晶格式電池陣自修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究(No.60875058)和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助課題--空間太陽(yáng)電池帆板制造質(zhì)量控制方法研究(N0.20070248021)的資助。
　　 本文研究了空間太陽(yáng)電池一種粘接工藝的功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、過(guò)程分析以及參數(shù)化設(shè)計(jì)。其目的是在現(xiàn)有的試驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過(guò)理論上進(jìn)一步的分析與驗(yàn)證,給出更多關(guān)于工藝本身的細(xì)節(jié)解釋,同時(shí)將工藝參數(shù)化,通過(guò)

4、計(jì)算快速確定滿足不同尺寸電池片粘接要求的各種參數(shù)取值組合,為實(shí)際生產(chǎn)制造提供參考,從而減少試驗(yàn)次數(shù)和成本。
　　 論文首先介紹了粘接工藝的設(shè)計(jì)思路。在大量調(diào)研與反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了傾斜蓋片粘接的方法,可在非真空條件下抑制膠層內(nèi)氣泡的生成。具體工藝包括注射器壓力涂膠工藝和玻璃蓋片傾斜下落粘接工藝。然后開(kāi)發(fā)了一套空間太陽(yáng)電池自動(dòng)封裝系統(tǒng),來(lái)實(shí)現(xiàn)該傾斜蓋片粘接工藝。試驗(yàn)表明:該系統(tǒng)能達(dá)到給定的技術(shù)要求,產(chǎn)品質(zhì)量高,效率超過(guò)手工制造

5、。接著,基于非牛頓流體力學(xué)和彈性動(dòng)力學(xué),采用理論建模與仿真分析的方法,從工藝分析的角度分別對(duì)注射器涂膠、平面擴(kuò)散和蓋片粘接三個(gè)子過(guò)程進(jìn)行了研究:(1)討論了注射器涂膠過(guò)程中硅橡膠的圓管流動(dòng)問(wèn)題,建立了圓管流動(dòng)模型,計(jì)算出蓋片膠的體積流量,并通過(guò)Adina軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證:(2)討論了平面擴(kuò)散過(guò)程中硅橡膠的邊界運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,建立了膠條自流出針頭到太陽(yáng)電池表面上完全融合過(guò)程的流動(dòng)模型,并用Adina進(jìn)行了仿真；(3)討論了蓋片粘接過(guò)程中硅橡膠的

6、受迫流動(dòng)和玻璃蓋片的下落運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,研究了真空吸盤(pán)的彈性特征,建立了該過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型,并通過(guò)Adina進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過(guò)工藝過(guò)程研究解釋了一些關(guān)于工藝本身的粘接機(jī)理與現(xiàn)象,并得到了影響三個(gè)子過(guò)程的所有參數(shù)。對(duì)于粘接工藝中非常重要的氣泡問(wèn)題,先研究了氣泡形成后在粘合劑中的運(yùn)動(dòng)變化原理,采用氣液固三相體耦合模型來(lái)分析氣泡在硅橡膠中的運(yùn)動(dòng),接著分析空間環(huán)境中氣泡膨脹對(duì)封裝體局部造成的影響,然后轉(zhuǎn)向氣泡的生成原理分析,結(jié)合試驗(yàn)指出了影響氣泡生

7、成的因素,并提出了抑制氣泡生成的若干種方法。論文對(duì)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的“自對(duì)準(zhǔn)”現(xiàn)象,從能量和受力的角度,解釋了其基本原理,并加以仿真驗(yàn)證。根據(jù)上述工藝分析,得到了影響粘接工藝的所有參數(shù),針對(duì)40mm×20mm的電池片,分析了四個(gè)粘接質(zhì)量特征對(duì)每個(gè)相關(guān)的可調(diào)參數(shù)的靈敏度,同時(shí)獲得了滿足粘接質(zhì)量要求的各參數(shù)的取值范圍和取值組合。最后,針對(duì)不同尺寸的電池片,提出了一種通過(guò)理論上預(yù)測(cè)粘接質(zhì)量來(lái)獲得合適的工藝參數(shù)值的方法,并得到了針對(duì)四種不同尺寸電池片

8、的參數(shù)取值范圍。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明:根據(jù)預(yù)測(cè)的參數(shù)取值范圍可較快地找到滿足粘接質(zhì)量要求的參數(shù)取值組合。
　　 論文所得到的結(jié)果包括兩方面:(1)解釋了一些粘接機(jī)理和現(xiàn)象,包括:平面擴(kuò)散中表面張力的作用,蓋片粘接時(shí)膠層區(qū)域的變動(dòng)、玻璃蓋片與電池片的錯(cuò)位現(xiàn)象,氣泡的生成因?yàn)榕c運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程,粘接時(shí)玻璃蓋片與電池片先錯(cuò)位而后又自動(dòng)恢復(fù)原位的“自對(duì)準(zhǔn)”現(xiàn)象。(2)得到了影響粘接工藝的所有可調(diào)參數(shù),包括:注射器入口壓強(qiáng)PL,硅橡膠粘度η,針頭內(nèi)半

9、徑Rn,針頭移動(dòng)速度Vn,相鄰膠條間距D,涂膠邊界距離δ,涂膠循環(huán)次數(shù)nc,膠層擴(kuò)散時(shí)間ts,玻璃蓋片初始傾斜角度α,蓋片下落速度Vb,蓋片下落時(shí)間tb,蓋片被吸附懸停時(shí)間tw。四個(gè)粘接質(zhì)量特征(h,S e,B)中,膠層厚度h和面積S與PL、η、Rn、Vn、D、δ、vc有關(guān),邊緣對(duì)準(zhǔn)誤差e與η、α有關(guān),氣泡的生成B與η、ts、α、Vb、tb、tw有關(guān)。對(duì)于40mm×20mm尺寸電池片,在參數(shù)局部靈敏度分析上,在指定的參考點(diǎn)處,Rn的變化

10、(波動(dòng))對(duì)h影響最大,Vn其次,其它參數(shù)的波動(dòng)對(duì)h的影響都很??；而S,e,B對(duì)其各自相關(guān)的可調(diào)參數(shù)的局部靈敏度均接近0,即這些參數(shù)在參考點(diǎn)處的輕微波動(dòng)基本不影響S,e,B。同時(shí)根據(jù)粘接質(zhì)量要求,給出了各參數(shù)的取值范圍和取值組合,比如(PL,μ,Rn)組合的取值范圍、(D,δ1,nc)組合的取值范圍等。根據(jù)粘接質(zhì)量預(yù)測(cè)方法,求得針對(duì)B,C,D,E四種型號(hào)電池片的可調(diào)參數(shù)取值范圍。
　　 本文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下三點(diǎn):
　　

11、(1)建立了非牛頓流體的圓管流動(dòng)模型和平面擴(kuò)散模型,用來(lái)描述涂膠工藝；
　　 (2)建立了傾斜蓋片工藝的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型以及包含氣泡的氣液固三相體耦合模型；
　　 (3)將參數(shù)化設(shè)計(jì)思想用于粘接工藝的分析中,并提出了通過(guò)理論上預(yù)測(cè)粘接質(zhì)量來(lái)獲得針對(duì)各種尺寸電池片的合適的工藝參數(shù)值的方法。
　　 論文針對(duì)A,B,C,D,E五種型號(hào)電池片的研究結(jié)果可為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。當(dāng)封裝其它尺寸電池片時(shí),亦可采用本文的模型與方法對(duì)