原子氧作用下導(dǎo)電黑膜性能退化研究

張劍鋒，郭　云，楊生勝

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實驗室；b.空間環(huán)境材料行為及評價技術(shù)重點(diǎn)實驗室，蘭州　730000）

原子氧作用下導(dǎo)電黑膜性能退化研究

張劍鋒a，郭云b，楊生勝a

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實驗室；b.空間環(huán)境材料行為及評價技術(shù)重點(diǎn)實驗室，蘭州730000）

原子氧環(huán)境是影響低地球軌道（LEO）航天器材料性能的主要空間環(huán)境因素之一，其強(qiáng)氧化性能夠?qū)Σ牧显斐晌：?。鍍膜型?dǎo)電黑色聚酰亞胺薄膜（簡稱導(dǎo)電黑膜）具有良好的消雜光和防靜電特性，是常用的衛(wèi)星天線和整星表面的防護(hù)材料。本文通過開展國外替代產(chǎn)品導(dǎo)電黑膜原子氧模擬實驗，研究原子氧作用下導(dǎo)電黑膜的性能退化。初步探索了我國導(dǎo)電黑膜低軌原子氧環(huán)境適應(yīng)性，為我國導(dǎo)電黑膜低地球軌道應(yīng)用提供建議。

導(dǎo)電黑膜；原子氧；性能退化

0　引言

鍍膜型導(dǎo)電黑色聚酰亞胺薄膜（簡稱導(dǎo)電黑膜）在國外衛(wèi)星上廣泛使用，現(xiàn)已普遍用于衛(wèi)星天線背面的消雜光，消除或避免各種雜散光對成像系統(tǒng)和傳感器的干擾；同時也可以減小大型天線的熱變形，保障天線的外形尺寸穩(wěn)定，進(jìn)而使天線的性能得以保證；另外由于其良好的防靜電特性，也可以應(yīng)用在整星多層隔熱材料的外表面，以提高航天器的防靜電能力。

原子氧是低地球軌道殘余大氣的主要成分，化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡軌?qū)Φ偷厍蜍壍篮教炱鞅砻娌牧袭a(chǎn)生剝蝕效應(yīng)，使材料的機(jī)械、光學(xué)性能、電學(xué)性能等發(fā)生改變，從而影響材料的使用壽命。當(dāng)導(dǎo)電黑膜處于原子氧環(huán)境中，導(dǎo)電黑膜會受到空間原子氧的剝蝕作用，導(dǎo)致膜厚減薄，導(dǎo)電性能降低，光學(xué)性能（透過率、反射率、發(fā)射率等）變化，影響其性能。

開展導(dǎo)電黑膜原子氧模擬實驗，研究原子氧作用下的導(dǎo)電黑膜性能退化規(guī)律，可為導(dǎo)電黑膜空間適應(yīng)性和低軌應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1　實驗

試驗采用微波原子氧/紫外模擬實驗（同軸源原子氧）設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)電黑膜原子氧模擬實驗，原子氧通量密度設(shè)置為1×1016atoms/cm2·s（±10%），原子氧總累積通量為3.5×1021atoms/cm2，設(shè)置8個測試點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的累積通量時，按要求對導(dǎo)電黑膜的太陽吸收比、半球發(fā)射率、表面電阻率和質(zhì)量進(jìn)行測量。

1.1實驗材料

本實驗針對鍍膜型導(dǎo)電黑色聚酰亞胺薄膜，導(dǎo)電黑膜是在黑色聚酰亞胺表面鍍氧化銦錫，底面鍍鋁的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。實驗前將導(dǎo)電黑膜試樣切成40 mm×40 mm的方形片，并用無水乙醇對試樣表面進(jìn)行超聲清洗5 min。

1.2實驗設(shè)備

實驗設(shè)備采用蘭州空間技術(shù)物理研究所自研的微波原子氧/紫外模擬實驗（同軸源原子氧）設(shè)備。該設(shè)備可以進(jìn)行原子氧單、紫外因素模擬實驗及原子氧與紫外協(xié)和效應(yīng)模擬實驗，不僅能夠定性的描述低地球軌道原子氧的能量、束流密度和環(huán)境粒子對材料性能的影響，而且能夠定量的描述原子氧的能量和束流密度，能夠比較準(zhǔn)確地模擬低地球軌道空間原子氧環(huán)境，是目前國際上比較先進(jìn)的地面模擬實驗設(shè)備。實驗中采用國際通用標(biāo)準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)kapton HN薄膜試樣的質(zhì)量損失來測量原子氧的束流密度，如圖1所示。

圖1　微波原子氧/紫外模擬試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖

微波原子氧/紫外模擬實驗設(shè)備工作的基本原理：由微波等離子體同軸源產(chǎn)生頻率為2.45 MHz、功率為150～1 500 W可調(diào)的微波能量，并將微波能量耦合。在微波能量的作用下，氧氣被離解為氧等離子體（O2+、O+、e等），并在磁場的約束作用下，可形成1012～1013cm-3的高密度氧等離子體。中性化板加負(fù)偏壓，加速等離子態(tài)中的氧離子（O+），使其獲得定向能量。氧離子（O+）入射到中性化板上并從中得到電子，復(fù)合成中性氧原子（O++e=O）。中性氧原子保留入射能量的大部分，形成一束中性原子氧束。

1.3實驗參數(shù)設(shè)置

（1）本底真空1.3×10-3Pa；（2）原子氧實驗時，真空保持在3.0×10-1Pa；（3）原子氧通量密度：1× 1016atoms/cm2·s（±10%）；（4）原子氧累積通量分別為 5.0×1020atoms/cm2、1.0×1021atoms/cm2、1.5× 1021atoms/cm2、2.0×1021atoms/cm2、2.5×1021atoms/cm2、3.0×1021atoms/cm2、3.5×1021atoms/cm2；（5）原子氧能量：5～8 eV。

1.4實驗步驟

對設(shè)備進(jìn)行清洗，保證設(shè)備正常工作時的清潔，標(biāo)定原子氧通量密度為Ф=1×1016atoms/cm2·s（±10%），用Kapton HN測定氧等離子體的等效通量密度為1.08×1016atoms/cm2·s，標(biāo)定完畢后，固化實驗條件，將試樣置于真空室中，進(jìn)行原子氧輻照實驗。

1.5宏觀性能測試

實驗分別達(dá)5.0×1020atoms/cm2、1.0×1021atoms/ cm2、1.5×1021atoms/cm2、2.0×1021atoms/cm2、2.5× 1021atoms/cm2、3.0×1021atoms/cm2、3.5×1021atoms/ cm2原子氧累積通量時，停止實驗，取出樣品，并按要求對試樣的太陽吸收比、半球發(fā)射率、表面電阻率和質(zhì)量進(jìn)行測量。

2　實驗結(jié)果與討論

通過對不同原子氧累積通量下太陽吸收比、半球發(fā)射率、表面電阻率和質(zhì)量損失試驗數(shù)據(jù)的對比分析和計算，擬合其相應(yīng)變化曲線，總結(jié)導(dǎo)電黑膜性能變化規(guī)律。

2.1太陽吸收比

采用SSR-E型太陽光學(xué)反射計測試不同原子氧累積通量下導(dǎo)電黑膜的太陽吸收比，導(dǎo)電黑膜的太陽吸收比測試結(jié)果如表1所列。對原子氧作用下的導(dǎo)電黑膜的太陽吸收比變化規(guī)律進(jìn)行擬合，可得到太陽吸收比變化曲線，如圖2所示，可以看出隨著原子氧累積通量增加導(dǎo)電黑膜太陽吸收比緩慢變大，增加總量為0.008。

表1　原子氧作用下太陽吸收比測試數(shù)據(jù)

圖2　原子氧作用下導(dǎo)電黑膜太陽吸收比曲線圖

2.2半球發(fā)射率

采用AE型材料熱發(fā)射特性測試儀測試不同原子氧累積通量下導(dǎo)電黑膜的半球發(fā)射率，導(dǎo)電黑膜的半球發(fā)射率測試結(jié)果如表2所列。通過原子氧作用下的導(dǎo)電黑膜的半球發(fā)射率變化曲線，如圖3所示，可以看出導(dǎo)電黑膜半球發(fā)射率隨原子氧累積通量增加無較大變化。

表2　原子氧作用下半球發(fā)射率測試數(shù)據(jù)

圖3　原子氧作用下導(dǎo)電黑膜半球發(fā)射率曲線圖

2.3表面電阻率

采用4339B型表面電阻率測試儀測試不同原子氧累積通量下導(dǎo)電黑膜的表面電阻率，導(dǎo)電黑膜的表面電阻率測試結(jié)果如表3所列。對原子氧作用下的導(dǎo)電黑膜的表面電阻率變化規(guī)律進(jìn)行擬合，可得到表面電阻率變化曲線，如圖4所示，可以看出隨著原子氧累積通量的增加，導(dǎo)電黑膜的表面電阻率呈指數(shù)規(guī)律緩慢遞增，擬合關(guān)系式為:

式中：Y為表面電阻率，103Ω；x為原子氧累積通量，1020atoms/cm2。

表3　原子氧作用下表面電阻率測試數(shù)據(jù)

圖4　原子氧作用下導(dǎo)電黑膜表面電阻曲線圖

2.4質(zhì)量損失

采用ST26型電子天平測試儀測試不同原子氧累積通量下導(dǎo)電黑膜的質(zhì)量，測試結(jié)果如表4所列，可以看出隨著原子氧累積通量增加導(dǎo)電黑膜質(zhì)量不斷減小，總質(zhì)量損失為0.44 mg，質(zhì)量損失率為0.69%。導(dǎo)電黑膜的質(zhì)量損失隨原子氧暴露劑量的變化關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，導(dǎo)電黑膜的質(zhì)量損失隨原子氧暴露劑量的變化趨勢基本呈線性正比例關(guān)系，這符合原子氧剝蝕效應(yīng)的質(zhì)損方程為：

式中：Ф為原子氧通量密度，AO/cm2·s；Δm為標(biāo)準(zhǔn)試樣實驗前后的質(zhì)損（g）；A為標(biāo)準(zhǔn)試樣的暴露面積，cm2；η為標(biāo)準(zhǔn)試樣的原子氧作用系數(shù)，cm3/AO；ρ為標(biāo)準(zhǔn)試樣的密度，g/cm3；τ為標(biāo)準(zhǔn)試樣在原子氧中的暴露時間，s。

當(dāng)Ф、A、η、ρ固定時，材料的剝蝕量與原子氧暴露時間成正比例關(guān)系。

表4　不同原子氧通量作用下導(dǎo)電黑膜質(zhì)量測試數(shù)據(jù)

圖5　原子氧作用下導(dǎo)電黑膜質(zhì)量損失關(guān)系曲線圖

3　結(jié)論

開展導(dǎo)電黑膜原子氧模擬實驗研究和宏觀性能表征。結(jié)果表明：

（1）隨原子氧累積通量增加，導(dǎo)電黑膜太陽吸收比緩慢增大，當(dāng)原子氧累積通量達(dá)到3.5×1021atoms/ cm2時，太陽吸收比增加總量為0.008，半球發(fā)射率無較大變化，因此，原子氧對導(dǎo)電黑膜太陽吸收比和半球發(fā)射率無較大影響；

（2）隨著原子氧累積通量增加，導(dǎo)電黑膜表面電阻率呈指數(shù)規(guī)律緩慢遞增，當(dāng)原子氧累積通量達(dá)到3.5×1021atoms/cm2時，表面電阻率值增加1.368× 105W，有2個數(shù)量級的變化；

（3）隨著原子氧累積通量增加，導(dǎo)電黑膜質(zhì)量不斷減小，當(dāng)原子氧累積通量達(dá)到3.5×1021atoms/ cm2時，總質(zhì)量損失為0.44 mg，質(zhì)量損失率為0.69%，導(dǎo)電黑膜的質(zhì)量損失隨原子氧暴露劑量的變化趨勢基本呈線性正比例關(guān)系。原子氧對導(dǎo)電黑膜表面的ITO膜有一定的剝蝕，導(dǎo)致材料的導(dǎo)電性能下降。

由以上實驗結(jié)果可以看出，原子氧對導(dǎo)電黑膜表面的ITO膜有一定的剝蝕效應(yīng)，導(dǎo)致材料的導(dǎo)電性能下降，由于ITO薄膜在聚四氟乙烯基底的附著力和致密度非常好，能有效防護(hù)黑色聚酰亞胺基底，導(dǎo)電黑膜太陽吸收比和半球發(fā)射率無較大變化。由于目前研制的導(dǎo)電黑膜用于中高軌道，建議優(yōu)化膜設(shè)計，增強(qiáng)原子氧防護(hù)能力，為導(dǎo)電黑膜低地球軌道的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[1]李勝剛，李春東，田修波，等.激光源原子氧對Kapton薄膜和Kapton/A1薄膜二次表面鏡性能的影響[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2008，28（6）：590-595.

[2]初文毅，楊士勤，何世禹，等.原子氧對Kapton/Al薄膜性能影響研究[J].航空材料學(xué)報，2006，2（1）：29-32．

[3]樹旺，李美栓，張亞明，等.低地球軌道環(huán)境中的原子氧對空間材料的侵蝕與防護(hù)涂層[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2002，14（3）：152-158.

[4]王志民，盧榆孫，馮煜東，等.空間輻射與原子氧環(huán)境對導(dǎo)電型熱控薄膜性能影響[J].真空與低溫，2004，3（10）:152-158.

[5]王藝，馮煜東，王志民，等.導(dǎo)電黑色聚酰亞胺膜長壽命環(huán)境實驗評估[C]//中國真空學(xué)會2012學(xué)術(shù)年會，2012.

[6]江錫順.ITO透明導(dǎo)電薄膜的組分、微結(jié)構(gòu)及其光電特性研究[D].安徽：安徽大學(xué)，2006：5-20.

[7]多樹旺，李美栓，張亞明，等.原子氧環(huán)境中聚酰亞胺的質(zhì)量變化和侵蝕機(jī)制[J].材料研究學(xué)報，2005，19（4）：337-342.

《載人航天與太空旅游》一書正式出版發(fā)行

蘭州空間技術(shù)物理研究所副所長、《真空與低溫》雜志主編李得天研究員等人編寫的《載人航天與太空旅游》一書，最近由甘肅科學(xué)技術(shù)出版社正式出版。李得天研究員，博士，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，享受政府特殊津貼，“十二五”國家863計劃主題專家，國防973項目首席科學(xué)家。中國計量測試學(xué)會常務(wù)理事兼真空計量專委會主任、中國真空學(xué)會常務(wù)理事、中國真空學(xué)會科學(xué)普及和教育委員會主任，真空低溫技術(shù)與物理國家級重點(diǎn)實驗室主任。

《載人航天與太空旅游》由飛向太空的“航班”、走進(jìn)“太空旅館”、體驗神奇的太空、出發(fā)去太空等章節(jié)。講述了太空日常生活的“衣食住行”，介紹了進(jìn)入太空要經(jīng)歷的超重、失重等現(xiàn)象。從而為廣大青少年讀者，了解載人航天和太空旅游、開啟通往神秘太空的“夢想之旅”，提供了通俗易懂的航天載人知識。

《載人航天與太空旅游》在編寫過程中，經(jīng)歷了圖書選題、資料調(diào)研、提綱編寫、文稿撰寫等大量的工作。參加編寫的還有編輯部的宋智、雷占許、權(quán)素君等同志。本書出版后到有關(guān)中小學(xué)進(jìn)行了宣講，收到中小學(xué)生的熱烈歡迎。

隨著航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要大量的航天知識的專業(yè)人才，本書適用于中小學(xué)生課外閱讀。啟發(fā)廣大青少年熱愛航天、探索航天的求知欲望，具有一定的重要意義。

（本刊編輯部）

EFFECTSOFATOM IC OXYGENON THEDETERIORATIONOFANTISTATIC BLACK POLYIM IDE FILMS

ZHANG Jian-fenga，GUO Yunb，YANG Sheng-shenga
（a.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，b.Science and Technology on M aterial Performance Evaluating in Space Environment Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

The atom ic oxygen is one of themost important space environments in the LEO space，which could damage the spacecraftmaterials due to its huge erosion effect.The antistatic black polyim ide films are the stray light removing materials and antistaticmaterials，and usually used to the satellite antenna and the spacecraft surfacematerial.This paper presents experimental investigations of antistatic black polyimide films damaged by atomic oxygen.Study of the performance degeneration rules of antistatic black polyim ide films，The atom ic oxygen durability of the antistatic black polyimide filmson the LEO were studied for preliminary.Some reasonable proposalsare given for the LEOmission design of the antistatic black polyim ide films.

black antistatic black polyim ide films；atom ic oxygen；the deterioration

O484

A

1006-7086（2016）01-0042-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.010

2015-11-30

真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實驗室基金項目（9140C550101110C5502）

張劍鋒（1978-），男，陜西省咸陽人，從事空間環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究。E-mail：zhangjfak2002@163.com。