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

1、用于太空中的太陽電池由于所處環(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)的將太陽電池與抗輻照玻璃蓋片粘接起來的方法是采用硅樹脂橡膠粘合劑或者聚四氟乙烯粘合劑。更先進的粘接方法如靜電封裝,可不通過任何粘接介質(zhì)將玻璃蓋片直接封裝到硅太陽電池或者砷化鎵太陽電池上,前提是玻璃蓋片和太陽電池的熱膨脹系數(shù)必需匹配。在我國,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封裝空間太陽電池。
　　 課題

2、背景是上海空間電源研究所根據(jù)國防科工委關(guān)于“高新工程-1”中國航天集團公司第八研究院八一一研究所、八零九研究所建設(shè)項目可行性研究報告的批復(fù),委托上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院機器人研究所而進行的研究項目。合同書規(guī)定研制一套太陽電池方陣自動貼片系統(tǒng),包括抗輻照玻璃蓋片封裝系統(tǒng)和太陽電池串布貼系統(tǒng)。本文研究的對象是第一個系統(tǒng)--空間太陽電池抗輻照玻璃蓋片封裝系統(tǒng)。本論文的研究獲得了國家自然科學(xué)基金--空間太陽基板表面超薄柔性電池串自動貼裝機

3、理研究(No.6067.5040)、面向空間太陽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)科點專項科研基金資助課題--空間太陽電池帆板制造質(zhì)量控制方法研究(N0.20070248021)的資助。
　　 本文研究了空間太陽電池一種粘接工藝的功能設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)、過程分析以及參數(shù)化設(shè)計。其目的是在現(xiàn)有的試驗基礎(chǔ)上,通過理論上進一步的分析與驗證,給出更多關(guān)于工藝本身的細節(jié)解釋,同時將工藝參數(shù)化,通過

4、計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,為實際生產(chǎn)制造提供參考,從而減少試驗次數(shù)和成本。
　　 論文首先介紹了粘接工藝的設(shè)計思路。在大量調(diào)研與反復(fù)試驗的基礎(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。然后開發(fā)了一套空間太陽電池自動封裝系統(tǒng),來實現(xiàn)該傾斜蓋片粘接工藝。試驗表明:該系統(tǒng)能達到給定的技術(shù)要求,產(chǎn)品質(zhì)量高,效率超過手工制造

5、。接著,基于非牛頓流體力學(xué)和彈性動力學(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注射器涂膠、平面擴散和蓋片粘接三個子過程進行了研究:(1)討論了注射器涂膠過程中硅橡膠的圓管流動問題,建立了圓管流動模型,計算出蓋片膠的體積流量,并通過Adina軟件進行仿真驗證:(2)討論了平面擴散過程中硅橡膠的邊界運動問題,建立了膠條自流出針頭到太陽電池表面上完全融合過程的流動模型,并用Adina進行了仿真；(3)討論了蓋片粘接過程中硅橡膠的

6、受迫流動和玻璃蓋片的下落運動問題,研究了真空吸盤的彈性特征,建立了該過程的動力學(xué)模型,并通過Adina進行了仿真計算。通過工藝過程研究解釋了一些關(guān)于工藝本身的粘接機理與現(xiàn)象,并得到了影響三個子過程的所有參數(shù)。對于粘接工藝中非常重要的氣泡問題,先研究了氣泡形成后在粘合劑中的運動變化原理,采用氣液固三相體耦合模型來分析氣泡在硅橡膠中的運動,接著分析空間環(huán)境中氣泡膨脹對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。論文對試驗中發(fā)現(xiàn)的“自對準(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40mm×20mm的電池片,分析了四個粘接質(zhì)量特征對每個相關(guān)的可調(diào)參數(shù)的靈敏度,同時獲得了滿足粘接質(zhì)量要求的各參數(shù)的取值范圍和取值組合。最后,針對不同尺寸的電池片,提出了一種通過理論上預(yù)測粘接質(zhì)量來獲得合適的工藝參數(shù)值的方法,并得到了針對四種不同尺寸電池片

8、的參數(shù)取值范圍。實驗測試表明:根據(jù)預(yù)測的參數(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)解釋了一些粘接機理和現(xiàn)象,包括:平面擴散中表面張力的作用,蓋片粘接時膠層區(qū)域的變動、玻璃蓋片與電池片的錯位現(xiàn)象,氣泡的生成因為與運動變化過程,粘接時玻璃蓋片與電池片先錯位而后又自動恢復(fù)原位的“自對準(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PL,硅橡膠粘度η,針頭內(nèi)半

9、徑Rn,針頭移動速度Vn,相鄰膠條間距D,涂膠邊界距離δ,涂膠循環(huán)次數(shù)nc,膠層擴散時間ts,玻璃蓋片初始傾斜角度α,蓋片下落速度Vb,蓋片下落時間tb,蓋片被吸附懸停時間tw。四個粘接質(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,在指定的參考點處,Rn的變化

10、(波動)對h影響最大,Vn其次,其它參數(shù)的波動對h的影響都很小；而S,e,B對其各自相關(guān)的可調(diào)參數(shù)的局部靈敏度均接近0,即這些參數(shù)在參考點處的輕微波動基本不影響S,e,B。同時根據(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)測方法,求得針對B,C,D,E四種型號電池片的可調(diào)參數(shù)取值范圍。
　　 本文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下三點:
　　

11、(1)建立了非牛頓流體的圓管流動模型和平面擴散模型,用來描述涂膠工藝；
　　 (2)建立了傾斜蓋片工藝的系統(tǒng)動力學(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)計思想用于粘接工藝的分析中,并提出了通過理論上預(yù)測粘接質(zhì)量來獲得針對各種尺寸電池片的合適的工藝參數(shù)值的方法。
　　 論文針對A,B,C,D,E五種型號電池片的研究結(jié)果可為實際生產(chǎn)提供參考。當(dāng)封裝其它尺寸電池片時,亦可采用本文的模型與方法對