用于太空中的太阳电池由于所处环境的特殊性,需要在其表面上粘接一层玻璃盖片,以抵抗空间粒子射线的辐照。传统的将太阳电池与抗辐照玻璃盖片粘接起来的方法是采用硅树脂橡胶粘合剂或者聚四氟乙烯粘合剂。更先进的粘接方法如静电封装,可不通过任何粘接介质将玻璃盖片直接封装到硅太阳电池或者砷化镓太阳电池上,前提是玻璃盖片和太阳电池的热膨胀系数必需匹配。在我国,受各种相关前后制作工艺发展的制约,目前仍采用硅橡胶粘合剂来封装空间太阳电池。　　 课题背景是上海空间电源研究所根据国防科工委关于“高新工程-1”中国航天集团公司第八研究院八一一研究所、八零九研究所建设项目可行性研究报告的批复,委托上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所而进行的研究项目。合同书规定研制一套太阳电池方阵自动贴片系统,包括抗辐照玻璃盖片封装系统和太阳电池串布贴系统。本文研究的对象是第一个系统--空间太阳电池抗辐照玻璃盖片封装系统。本论文的研究获得了国家自然科学基金--空间太阳基板表面超薄柔性电池串自动贴装机理研究(No.6067.5040)、面向空间太阳能电站的晶格式电池阵自修复关键技术研究(No.60875058)和高等学校博士学科点专项科研基金资助课题--空间太阳电池帆板制造质量控制方法研究(N0.20070248021)的资助。　　 本文研究了空间太阳电池一种粘接工艺的功能设计、系统实现、过程分析以及参数化设计。其目的是在现有的试验基础上,通过理论上进一步的分析与验证,给出更多关于工艺本身的细节解释,同时将工艺参数化,通过计算快速确定满足不同尺寸电池片粘接要求的各种参数取值组合,为实际生产制造提供参考,从而减少试验次数和成本。　　 论文首先介绍了粘接工艺的设计思路。在大量调研与反复试验的基础上,提出了倾斜盖片粘接的方法,可在非真空条件下抑制胶层内气泡的生成。具体工艺包括注射器压力涂胶工艺和玻璃盖片倾斜下落粘接工艺。然后开发了一套空间太阳电池自动封装系统,来实现该倾斜盖片粘接工艺。试验表明:该系统能达到给定的技术要求,产品质量高,效率超过手工制造。接着,基于非牛顿流体力学和弹性动力学,采用理论建模与仿真分析的方法,从工艺分析的角度分别对注射器涂胶、平面扩散和盖片粘接三个子过程进行了研究:(1)讨论了注射器涂胶过程中硅橡胶的圆管流动问题,建立了圆管流动模型,计算出盖片胶的体积流量,并通过Adina软件进行仿真验证:(2)讨论了平面扩散过程中硅橡胶的边界运动问题,建立了胶条自流出针头到太阳电池表面上完全融合过程的流动模型,并用Adina进行了仿真；(3)讨论了盖片粘接过程中硅橡胶的受迫流动和玻璃盖片的下落运动问题,研究了真空吸盘的弹性特征,建立了该过程的动力学模型,并通过Adina进行了仿真计算。通过工艺过程研究解释了一些关于工艺本身的粘接机理与现象,并得到了影响三个子过程的所有参数。对于粘接工艺中非常重要的气泡问题,先研究了气泡形成后在粘合剂中的运动变化原理,采用气液固三相体耦合模型来分析气泡在硅橡胶中的运动,接着分析空间环境中气泡膨胀对封装体局部造成的影响,然后转向气泡的生成原理分析,结合试验指出了影响气泡生成的因素,并提出了抑制气泡生成的若干种方法。论文对试验中发现的“自对准”现象,从能量和受力的角度,解释了其基本原理,并加以仿真验证。根据上述工艺分析,得到了影响粘接工艺的所有参数,针对40mm×20mm的电池片,分析了四个粘接质量特征对每个相关的可调参数的灵敏度,同时获得了满足粘接质量要求的各参数的取值范围和取值组合。最后,针对不同尺寸的电池片,提出了一种通过理论上预测粘接质量来获得合适的工艺参数值的方法,并得到了针对四种不同尺寸电池片的参数取值范围。实验测试表明:根据预测的参数取值范围可较快地找到满足粘接质量要求的参数取值组合。　　 论文所得到的结果包括两方面:(1)解释了一些粘接机理和现象,包括:平面扩散中表面张力的作用,盖片粘接时胶层区域的变动、玻璃盖片与电池片的错位现象,气泡的生成因为与运动变化过程,粘接时玻璃盖片与电池片先错位而后又自动恢复原位的“自对准”现象。(2)得到了影响粘接工艺的所有可调参数,包括:注射器入口压强PL,硅橡胶粘度η,针头内半径Rn,针头移动速度Vn,相邻胶条间距D,涂胶边界距离δ,涂胶循环次数nc,胶层扩散时间ts,玻璃盖片初始倾斜角度α,盖片下落速度Vb,盖片下落时间tb,盖片被吸附悬停时间tw。四个粘接质量特征(h,S e,B)中,胶层厚度h和面积S与PL、η、Rn、Vn、D、δ、vc有关,边缘对准误差e与η、α有关,气泡的生成B与η、ts、α、Vb、tb、tw有关。对于40mm×20mm尺寸电池片,在参数局部灵敏度分析上,在指定的参考点处,Rn的变化(波动)对h影响最大,Vn其次,其它参数的波动对h的影响都很小；而S,e,B对其各自相关的可调参数的局部灵敏度均接近0,即这些参数在参考点处的轻微波动基本不影响S,e,B。同时根据粘接质量要求,给出了各参数的取值范围和取值组合,比如(PL,μ,Rn)组合的取值范围、(D,δ1,nc)组合的取值范围等。根据粘接质量预测方法,求得针对B,C,D,E四种型号电池片的可调参数取值范围。　　 本文的创新性体现在以下三点:　　 (1)建立了非牛顿流体的圆管流动模型和平面扩散模型,用来描述涂胶工艺；　　 (2)建立了倾斜盖片工艺的系统动力学模型以及包含气泡的气液固三相体耦合模型；　　 (3)将参数化设计思想用于粘接工艺的分析中,并提出了通过理论上预测粘接质量来获得针对各种尺寸电池片的合适的工艺参数值的方法。　　 论文针对A,B,C,D,E五种型号电池片的研究结果可为实际生产提供参考。当封装其它尺寸电池片时,亦可采用本文的模型与方法对粘接质量进行预测,更快地寻找到合适的工艺参数值。对于空间太阳电池其它粘接方法的研究,本文亦有很强的借鉴意义。