深空探测器（Deep Space Probe）是人类向太阳系外天体和星际空间发射的无人航天器，其主要用途涵盖科学探索、技术验证、资源勘察和未来载人任务准备等多个维度。太阳能电池及其阵列是深空探测器能源动力系统的核心组件。在太阳能电池阵列中，超薄微小金属互连片承担着电池阵列电能传输的关键作用，其服役可靠性直接影响系统功率输出与任务周期。然而，在深空环境下，微小金属互连片须抵御–160 ℃至120 ℃的极端温度交变、行星表面以10至30 m/s速率的沙尘冲击以及宇宙射线累计超过10¹⁵ MeV/cm²的高能辐照等多种重劣化因素的耦合作用，导致互连片疲劳断裂，接触电阻跃迁等失效行为，最终引起电池阵列的整体瘫痪。因此，如何准确评价具有微米尺度超薄金属互连片的疲劳服役可靠性是当前深空探测器领域亟需突破的关键技术问题。

近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的张广平团队与上海空间电源所合作，系统研究了深空温度循环与沙尘冲击两类加载模式对纯银超薄互连片结构损伤行为及服役寿命的影响。多物理场耦合模拟结果表明，与沙尘冲击相比，温度循环是导致构件失效的关键因素，应力释放环与焊点是互连片中最易发生损伤失效的两个高风险区域，温度循环导致的超薄微小金属互连片局部结构变形模式与典型疲劳加载模式（弯曲疲劳与拉-拉疲劳）之间存在等效关系。据此，团队开展了针对电池阵列互连片用纯银超薄箔材的悬臂梁弯曲疲劳和拉-拉疲劳试验，提出了将复杂温度循环载荷等效转化为可控机械疲劳试验的思路，采用悬臂梁弯曲疲劳模型评估了应力释放环处的疲劳风险，采用拉-拉疲劳模型评估了焊点区域的疲劳寿命。最后，基于两种疲劳模式下材料基础数据与理论模型，构建了适用于深空环境下金属互连片结构寿命快速评估的方法，为包括太阳能电池互连片阵列在内的微小金属构件在深空极端环境下的疲劳可靠性设计与寿命评估提供了有效的解决方案。研究结果近期发表在Int. J. Fatigue (DOI: doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2025.109087)上。论文的第一作者为博士生张铭原。本工作得到国家自然科学基金和辽宁省自然科学基金项目的资助。

图1 超薄金属互连片的有限元模拟分析、疲劳损伤表征及寿命预测