4.3.1 帆面材料选择
为提高太阳帆航天器的特征加速度，帆面材料需尽可能轻薄，且太阳帆帆面薄膜材料与空间环境直接接触，需经受紫外辐照、带电粒子辐射、污染、原子氧冲蚀、冷热交变、微流星等恶劣的空间环境的考验。因此深空探测太阳帆需要考虑薄膜的空间耐辐照、耐冷热交变的性能，地球中轨运行的太阳帆还要考虑耐原子氧性能。同时太阳帆薄膜材料需要具有较好的力学强度。
国外在太阳帆薄膜材料上通常采用聚酯薄膜材料或者聚酰亚胺薄膜材料，日本2004年空间太阳帆展开试验以及行星学会宇宙1号太阳帆均采用聚酯薄膜材料，而已发射成功的IKAROS太阳帆以及Nanosail-D太阳帆采用的是聚酰亚胺薄膜材料。根据相关文献报道，其他的有机聚合物材料由于耐辐射性能以及力学性能都不如聚酯及聚酰亚胺，不适合用作太阳帆帆面薄膜材料。目前太阳帆可用的高性能聚酯材料有PET和PEN，聚酰亚胺薄膜材料有日本大宇公司的Upilex以及杜邦的Kapton系列等。
PET全称聚对苯二甲酸乙二醇酯，英文名：Polyethylene Terephthalate，是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽。在较宽的温度范围内具有优良的物理力学性能，长期使用温度可达120℃，电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性较差，抗蠕变性、耐疲劳性、耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。PET有良好的力学性能，冲击强度是其他薄膜的3～5倍，耐折性好。耐油、耐脂肪、耐稀酸、稀碱，耐大多数溶剂。具有优良的耐高、低温性能，可在120℃温度范围内长期使用，短期使用可耐150℃高温，可耐-70℃低温，且高、低温时对其力学性能影响很小。气体和水蒸气渗透率低，具有优良的阻气、水、油及异味性能。透明度高，可阻挡紫外线，光泽性好。
PEN全称聚萘二甲酸乙二醇酯，英文名：Polyethylene Naphthalate，是一种新兴的优良聚合物。其化学结构与PET相似，不同之处在于分子链中PEN由刚性更大的萘环代替了PET中的苯环。萘环结构使PEN比PET具有更高的物理力学性能、气体阻隔性能、化学稳定性及耐热、耐紫外线、耐辐射等性能。
PEN材料的性能：①气体阻隔性：由于萘的结构更容易呈平面状，因此PEN最突出的性能之一就是气体阻隔性能好。PEN对水的阻隔性是PET的3～4倍，对氧气和二氧化碳的阻隔性是PET的4～5倍，对水的阻隔性是PET的3.5倍。②化学稳定性能：PEN具有良好的化学稳定性，PEN对有机溶液和化学药品稳定，耐酸碱的能力好于PET。由于PEN的气密性好，分子量相对较大，所以在实际使用温度下，析出低聚物的倾向比PET小，在加工温度高于PET加工温度的情况下分解放出的低级醛却也少于PET。③耐热性能：由于萘环提高了大分子的芳香度，使PEN比PET更具有优良的热性能。PEN在130℃的潮湿空气中放置500 h后，伸长率仅下降10%。在180℃干燥空气中放置10 h后，伸长率仍能保持50%。而PET在同等条件下就会变得很脆，无使用价值。PEN的熔点为265℃，与PET相近，其玻璃化温度在120℃以上，比PET高出50℃左右。④耐紫外线辐射性能：由于萘的双环结构具有很强的紫外光吸收能力，因此PEN可阻隔小于380 nm的紫外线，其阻隔效应明显优越于PET。另外，PEN的光致力学性能下降少，光稳定性约为PET的5倍，经放射后，断裂伸长率下降少，在真空中和氧气中耐放射线的能力分别可达PET的10倍和4倍。⑤其他性能：PEN还具有优良的力学性能，PEN的杨氏模量和拉伸弹性模量均比PET高出50%。而且，PEN的力学性能稳定，即使在高温高压情况下，其弹性模量、强度、蠕变和寿命仍能保持相当的稳定性。另外，还具有优良的电气性能，PEN有与PET相当的电气性能，其介电常数、体积电阻率、导电率等均与PET接近，但其电导率随温度变化小。表4-8为PEN与PET性能比较情况。
表4-8 PEN薄膜与PET薄膜性能比较
续表
由表4-8可看出，PEN薄膜在使用温度、耐辐照性能方面要优于PET薄膜。
聚酰亚胺薄膜（polyimide film；PI film），包括均苯型聚酰亚胺薄膜和联苯型聚酰亚胺薄膜两类。前者为美国杜邦公司产品，商品名Kapton，由均苯四甲酸二酐与二苯醚二胺制得。后者由日本宇部兴产公司生产，商品名Upilex，由联苯四甲酸二酐与二苯醚二胺（R型）或间苯二胺（S型）制得。薄膜制备方法为：聚酰胺酸溶液流延成膜、拉伸后，高温酰亚胺化。薄膜呈黄色透明，相对密度为1.39～1.45，有突出的耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀和电绝缘性能。20℃时拉伸强度为200 MPa，200℃时大于100 MPa。聚酰亚胺是目前已经工业化的高分子材料中性能最好的薄膜类绝缘材料之一，具有优良的力学性能、电性能、化学稳定性以及很高的抗辐射性能、耐高温和耐低温性能（-269～400℃）。1959年美国杜邦公司首先合成出芳香族聚酰亚胺，1962年试制成聚酰亚胺薄膜（PI薄膜），1965年开始生产，品牌号为KAPTON。
聚酰亚胺薄膜具有比聚酯材料更为优异的空间环境稳定性以及力学性能，是非常适合用于太阳帆帆面的薄膜材料。选用NASA报告中计划开展研究的1 μm厚、面密度为1 g／m2的聚酰亚胺薄膜作为设计方案中的帆面薄膜材料，选用目前已技术成熟的商业化12.5 μm聚酰亚胺薄膜产品作为原理样机研制的帆面薄膜，并进行帆面薄膜的高反射率薄膜的镀制以及帆面大面积拼接的研究。