真空紫外對原子氧環(huán)境下S781白漆性能影響的研究

郭 亮，姜利祥，李 濤，劉向鵬

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

低地球軌道環(huán)境（Low Earth Orbit，LEO）中存在大量具有強(qiáng)氧化性的原子氧（atomic oxygen，AO），當(dāng)航天器在LEO環(huán)境中以7～8 km/s的軌道速度飛行時，原子氧撞擊航天器表面的能量可達(dá)4～5 eV，在這一過程中，原子氧與航天器表面材料會發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，造成材料的剝蝕和性能的退化，進(jìn)而影響航天器在軌運(yùn)行的可靠性，更嚴(yán)重的會導(dǎo)致飛行任務(wù)的失敗[1]。目前原子氧效應(yīng)及試驗(yàn)方法研究已成為LEO空間環(huán)境效應(yīng)研究的一個重要組成部分。

除原子氧外，低地球軌道環(huán)境中紫外（UV）、真空紫外（VUV）輻射也會對航天器材料產(chǎn)生影響。盡管真空紫外輻照能在太陽總輻照能中所占比例很小，但其作用卻十分重要。當(dāng)材料表面的分子吸收UV輻射或VUV輻射的能量后，就有可能發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂，并引發(fā)相應(yīng)的物理和化學(xué)變化，從而對材料的結(jié)構(gòu)和性能帶來影響[2-4]。

低地球軌道航天器在軌期間可能會遭到原子氧和紫外兩種環(huán)境同時作用，這種綜合的空間環(huán)境會造成航天器表面材料性能的加速退化，進(jìn)而危及航天器運(yùn)行的可靠性，降低航天器的使用壽命。諸如熱控涂層、多層絕緣體和光學(xué)表面等敏感材料尤其易受影響，表面性能變化將會對它們的功能產(chǎn)生影響[5-7]。此外，紫外造成的化學(xué)鍵斷裂，還會在材料表面生成一些新的反應(yīng)基，從而促進(jìn)了原子氧對材料的剝蝕。

S781白漆是我國自行研制的一種性能優(yōu)異的熱控涂層，它以硅樹脂為粘合劑，氧化鋅為顏料，曾用于我國某型號的飛行任務(wù)中。文獻(xiàn)[6-8]主要報(bào)導(dǎo)了 S781白漆在空間輻照環(huán)境下的性能變化規(guī)律，文獻(xiàn)[9]主要研究了溫控白漆在原子氧和紫外綜合環(huán)境作用下的性能變化，而國內(nèi)目前還沒有關(guān)于真空紫外對S781白漆在原子氧環(huán)境中性能影響的其他報(bào)道，本文將重點(diǎn)對S781白漆在原子氧和真空紫外作用下性能的變化進(jìn)行研究分析。

本文利用AOBISEE設(shè)備對航天器常用熱控涂層材料S781白漆進(jìn)行了單一原子氧環(huán)境試驗(yàn)、真空紫外與原子氧遞次試驗(yàn)以及原子氧與真空紫外綜合輻照試驗(yàn)，研究S781白漆在原子氧環(huán)境下真空紫外對其性能的影響情況，對長壽命、高可靠航天器的熱控設(shè)計(jì)、熱控涂層性能的改進(jìn)以及完善原子氧環(huán)境地面加速試驗(yàn)方法等具有重要意義。

1 試驗(yàn)研究對象和試驗(yàn)方法

1.1 研究對象

試驗(yàn)選取S781白漆作為研究對象。由于S781白漆所用的粘合劑具有特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，通常作為航天器表面熱控涂層的粘結(jié)劑，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在AOBISEE設(shè)備上進(jìn)行。該設(shè)備主要由真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、三維移動機(jī)構(gòu)、束流發(fā)射裝置、微波發(fā)生系統(tǒng)和總體控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，圖1為該試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 AOBISEE設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The schematic diagram of AOBISEE facility

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖2所示，樣品靶臺和冷卻水箱通過固定架與三維移動機(jī)構(gòu)相連，使樣品靶臺和冷卻水箱接觸良好以便控制樣品的溫度。另外，樣品與樣品靶臺的連接可采用快速拆卸方式。整個試驗(yàn)裝置放置在真空容器內(nèi)。

圖2 試驗(yàn)裝置組裝示意圖Fig. 2 The schematic diagram of experimental installation

1.4 試驗(yàn)方案

分別對S781白漆進(jìn)行單一原子氧環(huán)境試驗(yàn)、真空紫外與原子氧的遞次試驗(yàn)（先進(jìn)行單一真空紫外環(huán)境試驗(yàn)，再進(jìn)行單一原子氧環(huán)境試驗(yàn)）和原子氧與真空紫外輻照環(huán)境試驗(yàn)（原子氧與真空紫外兩種環(huán)境不間斷同時作用），研究真空紫外對 S781白漆在原子氧加速試驗(yàn)中的影響。

1.5 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

1.5.1 原子氧源技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)前對原子氧源軸向中心距中性化板不同距離處的原子氧束流進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定所選材料為Kapton H薄膜。根據(jù)Kapton H薄膜試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化計(jì)算距中性化板不同距離處的原子氧束流密度，標(biāo)定結(jié)果如圖3所示。

圖3 距中性化板不同距離處的原子氧束流密度Fig. 3 Atomic oxygen flux as a function of on-axis distance between the neutral board and sample installation device

1.5.2 氘燈技術(shù)參數(shù)

本試驗(yàn)所選用的真空紫外光源為Hamamatsu公司生產(chǎn)的L7293型氘燈，該氘燈輻射的紫外光波長范圍在115～400 nm之間。圖4表示距離發(fā)光點(diǎn)25.4 cm處氘燈在其波長范圍內(nèi)的紫外輻照情況[10]。

圖4 幾種氘燈的太陽輻照度Fig. 4 Solar air mass zero (AM0) spectral irradiance for a few types of deuterium lamps

1.6 試驗(yàn)參數(shù)

結(jié)合國內(nèi)外調(diào)研結(jié)果，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)有能力制定如下試驗(yàn)參數(shù)。

1）原子氧積分通量：3.5×1019atom/cm2；

2）真空紫外輻照度：200 ESH；

3）樣品預(yù)處理?xiàng)l件：在低真空中保存48 h；

4）單一原子氧環(huán)境試驗(yàn)真空度：10-2Pa；

5）真空紫外與原子氧遞次試驗(yàn)真空度：真空紫外輻照階段優(yōu)于1.3×10-3Pa；原子氧輻照階段為10-2Pa；

6）原子氧與真空紫外綜合輻照試驗(yàn)真空度：10-2Pa；

7）原子氧束流密度：≥1014atom/(cm2·s)；

8）試驗(yàn)樣品溫度：＜40 ℃。

1.7 測試儀器

試驗(yàn)前后采用 ME215S高精度微量電子天平對樣品的質(zhì)量進(jìn)行測試；用TEMP 2000A便攜式熱發(fā)射率測試儀測試樣品的熱發(fā)射率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 材料的質(zhì)量損失

表1列出了S781白漆分別在單一原子氧環(huán)境試驗(yàn)、真空紫外與原子氧遞次試驗(yàn)以及原子氧與真空紫外輻照環(huán)境試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化。從表1中可以看出：單一原子氧環(huán)境試驗(yàn)、真空紫外與原子氧遞次試驗(yàn)二者對S781白漆造成的質(zhì)量損失相當(dāng)；而經(jīng)原子氧與真空紫外綜合輻照試驗(yàn)后S781白漆的質(zhì)量損失較上述兩種環(huán)境試驗(yàn)的大。這說明原子氧與真空紫外綜合輻照試驗(yàn)對S781白漆產(chǎn)生了協(xié)和效應(yīng)，真空紫外與原子氧的協(xié)和作用加速了S781白漆與原子氧的反應(yīng)，使得原子氧對S781白漆的剝蝕效果更加顯著。

一般而言，溫控漆主要是由粘接劑及顏料粒子組成的混合物。顏料粒子通常為TiO2、ZnO等金屬氧化物粉末，這些金屬氧化物在原子氧環(huán)境中的穩(wěn)定性較好。目前使用的有機(jī)溫控漆的粘接劑通常為聚胺脂、有機(jī)硅、環(huán)氧樹脂等，這些有機(jī)化合物在原子氧、紫外環(huán)境作用下碳?xì)滏I、碳氧鍵、碳氮鍵全部被破壞，整體碳鏈骨架消失。紫外輻照產(chǎn)生的氣相生成物大部分是碳?xì)浠衔锓肿?，原子氧暴露產(chǎn)生的氣相生成物主要是CO、CO2、H2O。其中聚胺脂、環(huán)氧樹脂漆表面被原子氧剝蝕嚴(yán)重，有機(jī)硅漆在表面形成抗原子氧的SiO2成分。因此，聚胺脂、環(huán)氧樹脂漆在原子氧和紫外的綜合作用下質(zhì)量損失將會增大，而有機(jī)硅漆在原子氧和紫外的綜合環(huán)境中較穩(wěn)定。

表1 不同環(huán)境試驗(yàn)前、后S781白漆的質(zhì)量Table 1 The mass of thermal control paint S781 before and after different environmental tests

2.2 熱發(fā)射率

表2列出了S781白漆分別在單一原子氧環(huán)境試驗(yàn)、真空紫外與原子氧遞次試驗(yàn)以及原子氧與真空紫外綜合輻照試驗(yàn)前、后的熱發(fā)射率。從表2中可以看出，經(jīng)上述 3種不同環(huán)境試驗(yàn)之后，S781白漆的熱發(fā)射率變化均不明顯。

溫控漆在空間環(huán)境中性能的退化主要由紫外引起。當(dāng)溫控漆顏料粒子的金屬氧化物吸收的入射光子能量大于其價帶與導(dǎo)帶間隙能量時，將形成能與金屬氧化物晶格離子相互作用的空穴-電子對，在導(dǎo)帶上積累電子，這些電子將吸收某個波長范圍的光子，導(dǎo)致材料表面變色。但金屬氧化物顏料粒子在原子氧環(huán)境下輻照后其電子-空穴對會消失，將產(chǎn)生所謂的“漂白”效應(yīng)或“恢復(fù)”效應(yīng)。這就是S781白漆在原子氧與真空紫外輻照環(huán)境作用前、后其熱發(fā)射率變化較小的原因。

表2 不同環(huán)境試驗(yàn)前、后S781的熱發(fā)射率Table 2 The thermal emissivity of thermal control paint S781 before and after different environmental tests

3 結(jié)論

通過本試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1）單一原子氧環(huán)境試驗(yàn)和真空紫外與原子氧遞次試驗(yàn)二者對S781白漆的剝蝕程度相當(dāng)，真空紫外與原子氧遞次試驗(yàn)沒有對S781白漆產(chǎn)生協(xié)合效應(yīng)，而原子氧與真空紫外綜合環(huán)境對S781白漆產(chǎn)生了協(xié)合效應(yīng)，真空紫外環(huán)境的存在加速了原子氧與S781白漆的反應(yīng)，使原子氧對材料的剝蝕程度加劇，真空紫外對S781白漆的原子氧環(huán)境加速試驗(yàn)影響顯著。

2）單一原子氧環(huán)境、真空紫外與原子氧遞次試驗(yàn)以及原子氧與真空紫外輻照試驗(yàn)對S781白漆的熱發(fā)射率影響不明顯。

3）地面模擬試驗(yàn)中，在輻照劑量范圍內(nèi)，S781白漆的原子氧與真空紫外輻照試驗(yàn)不能用真空紫外與原子氧遞次試驗(yàn)代替。

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