苯基硅橡膠熱控涂層材料抗原子氧腐蝕能力的研究

王黑龍，Murray J. Vanessa，Minton K. Timothy，戴東旭，武博涵，楊 陽，車 麗

(1.大連海事大學環(huán)境科學與工程學院，大連116026；2. 中國科學院大連化學物理研究所分子反應(yīng)動力學國家重點實驗室，大連116023；3. 蒙大拿州立大學化學與生物化學系，波茲曼59717；4. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；5. 航天材料與工藝研究所，北京100076;6.大連海事大學物理系，大連 116026)

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苯基硅橡膠熱控涂層材料抗原子氧腐蝕能力的研究

王黑龍1，2，Murray J. Vanessa3，Minton K. Timothy3，戴東旭2，武博涵4，楊 陽5，車 麗1，6

(1.大連海事大學環(huán)境科學與工程學院，大連116026；2. 中國科學院大連化學物理研究所分子反應(yīng)動力學國家重點實驗室，大連116023；3. 蒙大拿州立大學化學與生物化學系，波茲曼59717；4. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；5. 航天材料與工藝研究所，北京100076;6.大連海事大學物理系，大連 116026)

為了評估材料的抗原子氧腐蝕能力，首先在地面模擬設(shè)備上通過激光爆破法產(chǎn)生平動能約為4.5 eV的原子氧束源，然后利用此高能氧束源對苯基硅橡膠熱控涂層材料進行暴露實驗。材料受高能原子氧轟擊而導致的影響，分別通過質(zhì)量、X射線光電子能譜和掃描電鏡進行表征。結(jié)果顯示，原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2及8.5×1020atoms/cm2暴露實驗后，材料表面微觀形貌沒有明顯腐蝕，質(zhì)量有少許增加，表面化學組成發(fā)生明顯變化，分析認為是形成非揮發(fā)性物質(zhì)SiOx。實驗結(jié)果表明，苯基硅橡膠熱控涂層材料具有優(yōu)越的抗原子氧腐蝕能力，推測其機理是形成的SiOx鈍化層作為保護層對其下方的材料進行保護，阻止原子氧對材料進一步腐蝕。

激光爆破；原子氧；苯基硅橡膠熱控涂層；抗腐蝕

0 引 言

低地球軌道環(huán)境對在軌飛行航天器的表面材料的主要影響因素包括：原子氧、真空紫外光、高低溫循環(huán)、高真空、電子與質(zhì)子輻射、空間碎片碰撞[1-4]。其中，原子氧在低地球軌道環(huán)境效應(yīng)中最嚴苛，這主要是因為在軌高速飛行的航天器與周圍原子氧的相對運動速度約為8000m/s，相當于受到動能約5eV原子氧的碰撞，同時原子氧具有極強的氧化能力，因此通常會導致材料表面腐蝕、氧化、降解、污染，進而引起材料的機械、光學等性能的下降，甚至導致材料的性能“失效”，很大程度上縮短了航天器等的服役壽命[5]。因此，為了延長航天器的使用年限和確保航天飛行任務(wù)的完成，航空航天領(lǐng)域外用材料的原子氧效應(yīng)一直以來都是低地球軌道環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點[6-15]。比如，原子氧效應(yīng)實驗研究中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于衛(wèi)星太陽翼基板、天線支撐結(jié)構(gòu)和相機的樹脂基材料，通過在樹脂基材料中摻入高模量的碳纖維或玻璃纖維，或引入有機硅等方法，纖維可直接對底層材料起到保護作用，而有機硅在原子氧的作用下可生成無機氧化硅層，進而保護底層材料，因此樹脂基復合材料的抗原子氧剝蝕性都能得到明顯提高[16-19]。

硅橡膠體系材料是以Si-O-Si鍵為主鏈，側(cè)鏈可以為甲基、乙烯基或苯基等有機基團的一種聚合物，主要成品有二甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠等。因具有良好的耐高低溫性、絕緣性、惰性，硅橡膠材料廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，而航天器運行環(huán)境復雜嚴苛，環(huán)境效應(yīng)問題不可忽視，尤其是硅橡膠體系材料的抗原子氧腐蝕性問題。

在原子氧效應(yīng)方面，研究結(jié)果表明氧化硅保護層能有效提高材料的抗原子氧腐蝕性。原子氧與摻雜聚倍半硅氧烷的聚硅氧烷材料相互作用，隨著原子氧累積通量的增加復合材料表面會逐漸形成以SiO2為主的保護層，保護著材料不再受到原子氧的侵蝕[20]。而氟硅橡膠材料在原子氧地面模擬實驗和在軌飛行試驗中，受原子氧的轟擊作用導致材料表面生成很多裂痕，引起材料密封性能的急劇下降，這主要歸因于原子氧的極強氧化性及材料本身化學、機械性能的不穩(wěn)定性[9]。在二甲基硅橡膠材料表面沉積二氧化硅薄膜后，同軸地面模擬原子氧束源暴露實驗后發(fā)現(xiàn)二甲基硅橡膠材料的抗原子氧腐蝕能力有一定程度的提高[21]。美國航天局利用電子回旋共振等離子體源設(shè)備產(chǎn)生的原子氧束源研究了以甲基硅橡膠為基礎(chǔ)材料的原子氧效應(yīng)，原子氧累積通量5.6×1021atoms/cm2的暴露實驗后，材料表面的紅外光譜結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Si-CH3所對應(yīng)峰的相對強度明顯降低，而Si-O-Si所對應(yīng)峰的相對強度卻相對升高，半高寬增加，這表明在原子氧暴露實驗過程中，原子氧取代了甲基并在材料表面生成SiOx物質(zhì)，而SiOx物質(zhì)引起材料的粘合性有一定程度的降低[8]。

苯基硅橡膠，是在甲基乙烯基硅橡膠中以一定比例引入苯基制備而成，在航空航天應(yīng)用領(lǐng)域有取代甲基乙烯基硅橡膠材料的潛力與趨勢。但是關(guān)于苯基硅橡膠材料抗原子氧腐蝕的過程與機理并不清楚，同時在地面如何有效地模擬出低地球軌道環(huán)境下的原子氧束源也是一個巨大的挑戰(zhàn)。比如，美國宇航局采用的電子回旋共振等離子體源模擬出的原子氧束源主要成分是氧離子，中性原子氧能量在0.04 eV～0.1 eV，通量為4.4×106atoms/(cm2·s)，與航天器在軌運行時受到轟擊的原子氧的能量(～5 eV)、通量(1015atoms/(cm2·s))相差較大[8]。

本文利用由激光爆破產(chǎn)生的高能原子氧束源研究了苯基硅橡膠熱控涂層材料的抗原子氧腐蝕性。通過原子氧暴露實驗前后材料的質(zhì)量、表面化學、表面微觀形貌等變化，評估硅橡膠熱控涂層材料的抗原子氧腐蝕能力，揭示原子氧與材料之間的相互作用過程，探索其抗原子氧腐蝕機理。

1 實驗部分

1.1 材料制備

將自制的氧化鋅、苯基硅橡膠按一定比例混合后，加入適量的溶劑并均勻攪拌，然后在球磨罐中進行2～3 h的球磨，將得到的涂料進行過濾之后加入固化劑并均勻攪拌，最后在鋁基試板上噴涂制備熱控涂層，在室溫環(huán)境下干燥固化約24 h后得到苯基硅橡膠熱控涂層材料樣品。

1.2 原子氧暴露實驗

圖1 激光爆破法高能原子氧束源實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of high energy atomic oxygen beam experimental device by laser detonation

樣品的原子氧暴露實驗在中國科學院大連化學物理研究所分子反應(yīng)動力學國家重點實驗室的高能原子氧束源實驗裝置上完成。該裝置基于激光爆破法產(chǎn)生高能原子氧束源如圖1所示，背壓約為580psi的高純度氧氣(99.99%)通過壓電陶瓷脈沖閥進入內(nèi)部鍍金、配備冷卻系統(tǒng)的錐形爆破裝置內(nèi)；由二氧化碳氣體激光器產(chǎn)生的波長10.6μm的中紅外光，激光能量為7.5J/pulse，通過硒化鋅窗口進入束源室腔體后，經(jīng)固定在距離爆破裝置喉部位置50cm處的鍍金凹面鏡(焦距f=50cm)反射、聚焦到錐形爆破裝置內(nèi)；通過高精度數(shù)字延時發(fā)生器調(diào)節(jié)中紅外光與脈沖閥之間的延遲，使氧氣和中紅外光同時達到爆破裝置的喉部位置，激光誘導氧氣發(fā)生劇烈爆破過程，產(chǎn)生高溫度、高密度的等離子體束源，在錐形爆破裝置的約束下，等離子體束源加速、碰撞、中和，最終產(chǎn)生中性的、高速的原子氧束源。

原子氧暴露實驗中，直徑為1cm的樣品放置在距離束源約40cm處，此處束源截面直徑約為14cm，其中束源中心部分經(jīng)過束源室進入主腔室，由電子轟擊電離型四極桿質(zhì)譜儀來探測束源成分，記錄束源各成分的飛行時間譜，處理后得到各成分的平動能分布譜。實驗中，關(guān)閉離化器，沒有探測到原子氧束源信號，可以確定該實驗裝置產(chǎn)生的高速氧束源中氧離子成分所占比例非常之小。如圖2所示，高能氧束源由85.4%的高能原子氧和14.6%的高能氧分子組成，對應(yīng)的平動能分別為5.16eV和9.6eV，相應(yīng)的半高寬分別約為2.2eV和4.5eV，平動能譜分布譜由采集到的束源各成分的飛行時間譜經(jīng)雅克比轉(zhuǎn)化得到。進行了兩次原子氧暴露實驗，原子氧束源的運行頻率為2Hz，通過測試標定樣品Kapton-H的腐蝕深度，結(jié)合其腐蝕率得到原子氧的通量分別為3.22×1015atoms/(cm2·s)和4×1015atoms/(cm2·s)，暴露時間分別為8.2h和58.3h，對應(yīng)的脈沖次數(shù)分別為59000shots和420000shots，對應(yīng)的累積通量分別為9.5×1019atoms/cm2和8.5×1020atoms/cm2，相當于在低地球軌道環(huán)境下飛行26.4h和233.3h。

圖2 高能氧束源平動能分布譜Fig.2 The translational energy distribution of high energy atomic oxygen beam

1.3 表征方法

暴露實驗中，標定樣品聚酰亞胺薄膜的腐蝕深度由臺階儀(VeecoDektak 150)測量，為了減少誤差，在聚酰亞胺薄膜樣品表面的不同位置采取多次測量取平均值的方法；苯基硅橡膠樣品暴露實驗前后的質(zhì)量由微量天平(METTLER TOLEDO)測量，天平的精度為10-5g，為防止表面吸附的水的影響，抽真空處理后再測量；樣品表面的元素構(gòu)成由X射線光電子能譜儀(Thermo ESCALAB 250Xi)測試；表面微觀形貌通過掃描電子顯微鏡(JSM-7800F)來表征，由于樣品不導電，因此樣品首先在真空條件下進行鍍金處理，金粉厚度約為10nm，然后再用雙面碳導電膠帶把樣品固定進樣架上，最后進行表面形貌測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 原子氧通量

標定原子氧束源強度及累積通量所使用的樣品是聚酰亞胺(Kapton-H)薄膜，從美國杜邦公司購買。聚酰亞胺薄膜，其原子氧腐蝕率相對比較穩(wěn)定，常用來標定原子氧通量及樣品受轟擊累積通量[6]。根據(jù)累積通量式(1)

(1)

式中:F、h、σ分別對應(yīng)著聚酰亞胺樣品所受原子氧累積通量、原子氧腐蝕深度、受原子氧腐蝕率。σ值取3.0×10-24cm3/atom，為減少測量誤差，暴露試驗后腐蝕深度由臺階儀在樣品表面的不同位置測量20次后取其平均值。兩次暴露實驗中測得標定樣品的平均腐蝕深度為分別2.84μm、25.10μm，按照式(1)對應(yīng)的原子氧累積通量為9.5×1019atoms/cm2、8.5×1020atoms/cm2。

2.2 化學組成

為了從微觀角度理解原子氧轟擊對樣品的影響，表面化學組成成分變化是主要途徑之一，常通過測試樣品的表面X射線光電子能譜進行分析。原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2的暴露實驗中，對實驗前后的苯基硅橡膠樣品分別測試了X射線光電子能譜，關(guān)于樣品表面主要元素的詳細結(jié)果顯示在表1中。

表1 原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2暴露實驗前后樣品主要元素相對濃度及比例關(guān)系Table 1 The relative concentration and proportion of main elements in samples before and after exposure experiment with a fluence of 9.5×1019atoms/cm2

從表1可以看出，實驗前后樣品表面主要組成元素的相對濃度發(fā)生了明顯變化，主要變化是C元素相對濃度降低，O元素相對濃度升高，導致C∶Si比例降低與O∶Si比例升高。這一變化表明：受高能原子氧的轟擊，樣品表面發(fā)生了化學反應(yīng)，導致元素相對濃度發(fā)生變化，對暴露實驗前后C1s、O1s及Si2p峰的詳細分析將解釋發(fā)生的反應(yīng)過程，結(jié)果如圖3所示。

圖3 原子氧累積通量9.5×1019 atoms/cm2暴露實驗前后樣品表面X射線光電子能譜特征峰Fig.3 X-ray photoelectron spectroscopy characteristic peaks of sample surface before and after exposure experiment with a fluence of 9.5×1019 atoms/cm2

從圖3可以看出，與原樣品相比，受高能原子氧的轟擊，實驗后樣品表面主要的特征峰發(fā)生了明顯變化，主要體現(xiàn)在兩個方面：(1)特征峰峰位的移動，(2)不同特征峰所占相對面積的變化。苯基硅橡膠是主鏈以Si-O-Si單元為主，側(cè)鏈以甲基、乙烯基、苯基等單價有機基團為主的高聚合度大分子物質(zhì)，其中苯基相對于甲基和乙烯基，具有更強的耐腐蝕性和化學惰性，不易發(fā)生分解。在原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2暴露實驗后，如圖3(a)所示，其C1s特征峰的主要變化是C-H峰相對強度稍微降低，C-Si-C峰相對強度則明顯增加；在圖3(b)中，可以看到O1s特征峰在實驗后變的比較復雜，峰位向高結(jié)合能方向移動，整個特征峰變得更寬；而在圖3(c)中發(fā)現(xiàn)，Si-C峰強度明顯降低，峰位向高結(jié)合能方向移動，而Si-O峰則表現(xiàn)為相對強度明顯增加，峰位向高結(jié)合能方向移動，整體峰變寬。對C1s和Si2p特征峰的不同化學鍵、所占相對面積比例的計算結(jié)果顯示在表2中。

表2 原子氧累積通量9.5×1019 atoms/cm2暴露實驗前后樣品表面的C1s峰和Si2p峰的特征Table 2 Characteristic of C1s and Si2p in sample surface before and after exposure experiment with afluence of 9.5×1019 atoms/cm2

原子氧暴露實驗中氧束源平動能分布如圖2所示，高能原子氧占整體束源的92%，且最可幾平動能為4.5 eV，因此原子氧很容易打斷Si-C鍵、C-C鍵、C-H鍵；同時，原子氧具有極強的氧化能力，能夠與上述化學鍵發(fā)生反應(yīng)[22]。從表2中看出，C-H鍵在C1s特征峰中所占相對面積比例從81.9%降到75.4%，而Si-C鍵在Si2p特征峰中所占相對面積比例從77.5%下降到58.4%?？赡艿脑蚴牵?1)高能原子氧打斷C-H鍵，原子氧結(jié)合H生成OH等揮發(fā)性物質(zhì)；(2)高能原子氧打斷Si-C鍵后，原子氧與Si結(jié)合生成非揮發(fā)性新物質(zhì)SiOx，原子氧還有可能與甲基、乙烯基和苯基中的C-H、C-C鍵發(fā)生反應(yīng)生成CO、CO2或OH等揮發(fā)性物質(zhì)。這些反應(yīng)過程引起的結(jié)果就是C-Si鍵和Si-O/SiOx鍵分別在C1s和Si2p特征峰中所占相對面積比例增加，其中最明顯的變化時Si-O/SiOx鍵在Si2p特征峰中所占相對面積的比例從22.5%增加到41.6%。從上述變化結(jié)果可推斷出：高能原子氧與苯基硅橡膠涂層材料相互作用過程中，樣品受高能原子氧的轟擊表面既有舊化學鍵的斷裂，即揮發(fā)性物質(zhì)的生成；同時還有新化學鍵的生成，即表面生成的非揮發(fā)性新物質(zhì)SiOx。

2.3 質(zhì)量變化

腐蝕深度、質(zhì)量損失率及質(zhì)量變化是常用來表征材料受暴露實驗影響的宏觀信息[15, 23]。在原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2的暴露實驗研究中，實驗前，為減小表面吸附的水的影響，苯基硅橡膠熱控涂層材料樣品在真空腔體中抽真空2h后，由微量天平測其質(zhì)量為0.61171g；經(jīng)過長達8.2h的暴露實驗后，測其質(zhì)量為0.61175g，相比之下，涂層材料樣品質(zhì)量增加了0.00004g。結(jié)合XPS分析結(jié)果認為，該質(zhì)量增加是由于高能原子氧與苯基硅橡膠熱控涂層材料相互作用時既生成揮發(fā)性物質(zhì)又生成非揮發(fā)性新物質(zhì)SiOx，即既有使樣品質(zhì)量減小的生成物，又有使樣品質(zhì)量增加的生成物生成的綜合效果。

2.4 表面形貌

表征材料受原子氧暴露實驗影響的主要微觀信息還包括表面微觀形貌，通過掃描電鏡進行表征。在累積通量8.5×1020atoms/cm2的原子氧暴露實驗后，對苯基硅橡膠涂層材料進行了表面微觀形貌表征，來評估材料的抗原子氧腐蝕能力。

圖4 原子氧累積通量8.5×1020 atoms/cm2暴露實驗前后樣品表面微觀形貌：(a)原樣品-2μm，(b)暴露后樣品-2μm，(c)原樣品-10μm，(d)暴露后樣品-10μmFig.4 SEM images of samples before and after exposure experiment with a total fluence of 8.5×1020 atoms/cm2:(a) control sample -2μm, (b) exposed sample -2μm, (c) control sample -10μm, (d) exposed sample -10μm

如圖4所示，原子氧累積通量8.5×1020atoms/cm2暴露實驗前后樣品表面微觀形貌，最小尺度分別為2μm和10μm。圖4(d)中的深坑特征是在樣品制備過程中導致的，并非原子氧轟擊的結(jié)果。在暴露實驗前后，樣品表面均有細小的凹陷及不規(guī)則的凸起特征。暴露實驗后的樣品，表面相對光滑，但并沒有明顯的腐蝕特征。結(jié)合X射線光電子能譜測試結(jié)果，可以推斷出在，在原子氧暴露實驗的前期階段，受高能原子氧的轟擊作用，材料表面生成揮發(fā)性物質(zhì)，如：CO、CO2、OH等；隨著原子氧累積通量的增加，生成的非揮發(fā)性物質(zhì)SiOx逐漸在表面累積形成保護層，因為Si-O化學鍵的解離能為8.3 eV(遠大于航天器表面材料受到轟擊的原子氧的平動能5 eV)，因此SiOx物質(zhì)相對于原子氧是惰性的，這樣，生成的SiOx保護層對底部材料起到關(guān)鍵性的保護作用，使底部材料不再受到原子氧的轟擊而發(fā)生反應(yīng)受到腐蝕，這也是樣品即使在較大累積通量的暴露實驗后樣品表面微觀形貌并沒有發(fā)生明顯特征變化的主要原因[24]。

3 結(jié) 論

通過苯基硅橡膠熱控涂層材料的原子氧暴露實驗，得到以下結(jié)論：

(1)實驗后樣品質(zhì)量增加，表面微觀形貌無明顯腐蝕性特征；X射線光電子能譜結(jié)果認為，材料受高能原子氧的轟擊，表面除有生成揮發(fā)性物質(zhì)外，還有生成的非揮發(fā)性新物質(zhì)SiOx等，而SiOx對于原子氧是相對惰性的，因此SiOx鈍化層保護著材料不再繼續(xù)被原子氧腐蝕。

(2)苯基硅橡膠熱控涂層材料表現(xiàn)出很好的抗原子氧腐蝕能力。

[1] Koontz S L, Albyn K, Leger L J. Atomic oxygen testing with thermal atom systems-a critical evaluation [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 1991, 28 (3):315-323.

[2] Reddy M R. Review effect of low earth orbit atomic oxygen on spacecraft materials [J]. Journal of Materials Science, 1995, 30 (2):281-307.

[3] Packirisamy S, Schwam D, Litt M H. Review atomic oxygen resistant coatings for low earth orbit space structures [J]. Journal of Materials Science, 1995, 30 (2): 308-320.

[4] Grossman E, Gouzman I. Space environment effects on polymers in low earth orbit [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2003, 208: 48-57.

[5] Kleiman J I, Iskanderova Z A, Perez F J, et al. Protective coatings for LEO environments in spacecraft applications [J]. Surface and Coatings Technology, 1995, 76-77 (2):827-834.

[6] Rutledge S, Banks B, Cales M. A comparison of atomic oxygen erosion yields of carbon and selected polymers exposed in ground based facilities and in low Earth orbit [C].The 25th Plasmadynamics and Lasers Conference,Colorado Springs, CO, USA, 1994.

[7] De Groh K K, Banks B A, McCarthy C E, et al. Misse 2 peace polymers atomic oxygen erosion experiment on the international space station [J]. High Performance Polymers, 2008, 20 (4-5):388-409.

[8] Groh H, Miller S, Smith I, et al. Adhesion of silicone elastomer seals for nasa's crew exploration vehicle [C].The 44th AIAA / ASME / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Hartford, CT, USA, 2008.

[9] Laikhtman A, Gouzman I, Verker R, et al. Atomic oxygen and uv irradiation effects on fluorosilicone rubber: comparison of rf plasma and in-flight exposure [J]. High Performance Polymers, 2008, 20 (4-5):447-460.

[10] Banks B A, Backus J A, Manno M V, et al. Prediction of atomic oxygen erosion yield for spacecraft polymers [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2011, 48 (1):14-22.

[11] Yagnamurthy S, Chen Q, Chen C G, et al. Erosion yield of epoxy-silica nanocomposites at the lower earth orbit environment of the international space station [J]. Journal of Composite Materials, 2013, 47 (1):107-117.

[12] Minton T K, Wright M E, Tomczak S J, et al. Atomic oxygen effects on POSS polyimides in low Earth orbit [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2012,4 (2):492-502.

[13] Atar N, Grossman E, Gouzman I, et al. Atomic-oxygen-durable and electrically-conductive cnt-poss-polyimide flexible films for space applications [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7 (22): 12047-12056.

[14] Brunsvold A L, Minton T K, Gouzman I, et al. An investigation of the resistance of polyhedral oligomeric silsesquioxane polyimide to atomic-oxygen attack [J]. High Performance Polymers, 2004, 16(2): 303-318.

[15] Minton T K, Wu B, Zhang J, et al. Protecting polymers in space with atomic layer deposition coatings [J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2010, 2 (9): 2515-2520.

[16] 王鑫，趙小虎，沈志剛. 硅有機物提高航天器樹脂材料抗原子氧剝蝕性能[J]. 宇航學報 2006, 27 (5): 1113-1117. [Wang Xin, Zhao Xiao-hu, Shen Zhi-gang. The effects of atomic oxygen on epoxy resin containing organosilicon [J].Journal of Astronautics, 2006, 27 (5):1113-1117.]

[17] 趙小虎，沈志剛，王鑫，等. 玻璃纖維復合材料的原子氧剝蝕效應(yīng)試驗研究. 宇航學報 2006, 27 (6): 1347-1349. [Zhao Xiao-hu, Shen Zhi-gang, Wang Xin, et al. An experimental study of atomic oxygen effects on glass fiber composites [J]. Journal of Astronautics, 2006, 27 (6):1347-1349.]

[18] 楊光，黃鵬程. 原子氧對紫外光固化有機硅環(huán)氧樹脂的作用[J]. 宇航學報, 2008, 29(6): 2036-2040. [Yang Guang, Huang Peng-cheng. Atomic oxygen effects on UV-cured silicon-containing epoxy resins [J]. Journal of Astronautics, 2008, 29(6): 2036-2040.]

[19] 趙臻璐，陳維強，張玉生，等. BHM3碳纖維及其氰酸酯基復合材料耐原子氧侵蝕性能[J]. 宇航學報, 2016, 37 (5): 625-630. [Zhao Zhen-lu, Chen Wei-qiang, Zhang Yu-sheng, et al. Atomic oxygen erosion of BHM3 carbon fiber and carbon fiber / cyanate ester composites [J]. Journal of Astronautics, 2016, 37 (5): 625-630.]

[20] Gonzalez R I, Phillips S H, Hoflund G B. In situ oxygen-atom erosion study of polyhedral oligomeric silsesquioxane-siloxane copolymer [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2000, 37(4): 463-467.

[21] Xing A, Gao Y, Yin J, et al. Preparation and atomic oxygen erosion resistance of silica film formed on silicon rubber by sol-gel method [J]. Applied Surface Science, 2010, 256(20): 6133-6138.

[22] Dever J A. Low Earth orbital atomic oxygen and ultraviolet radiation effects on polymers [R]. NASA Technical Memorandum, 1991.

[23] Cooper R, Upadhyaya H P, Minton T K, et al. Protection of polymer from atomic-oxygen erosion using Al2O3atomic layer deposition coatings [J]. Thin Solid Films, 2008,516 (12):4036-4039.

[24] Huang Y H, Liu J K, Ball I, et al. Organic-inorganic nano-hybrid composite as atomic oxygen durable coating [C].The 47th International SAMPE Symposium and Exhibition, Long Beach Convention, 2002.

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武博涵(1971-)，女，高工，主要從事空間環(huán)境及航天器材料防護的研究。本文通信作者。

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Minton K. Timothy，男，教授，主要從事空間飛行器的材料退化問題、極端條件下的基礎(chǔ)化學反應(yīng)動力學和高能束用于解決實際問題的研究。本文通信作者。

E-mail：tminton@montana.edu

車 麗(1979-)，女，博士，教授，博士生導師，主要從事空間環(huán)境下復合材料的抗原子氧腐蝕性研究及態(tài)態(tài)基元化學動力學研究。本文通信作者。

通信地址：遼寧省大連市凌海路1號(116026)

電話：18041151071

E-mail: liche@dlmu.edu.cn

Study on the Resistance of Thermal Control Coating of Phenyl Silicone Rubber to Hyperthermal Atomic Oxygen Attack

WANG Hei-long1,2, MURRAY J. Vanessa3, MINTON K. Timothy3, DAI Dong-xu2, WU Bo-han4, YANG Yang5, CHE Li1,6

(1.College of Environmental Sciences and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. State Key Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China;3. Department of Chemistry and Biochemistry, Montana State University, Bozeman 59717,USA;4. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China;5. Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076, China;6.Department of Physics, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In order to assess the resistance ability of thermal control phenyl silicone rubber material to hyperthermal atomic oxygen, exposure experiments are carried out by use of an atomic oxygen beam with high kinetic energy of ～4.5 eV, which is produced in a ground-based atomic oxygen simulation facility based on the laser-detonation method. Sample mass measurement, X-ray photoelectron spectroscopy, and scanning electron microscopy are performed prior to and after exposure, to evaluate the changes in the material morphology and chemistry caused by a hyperthermal atomic oxygen attack. Results indicate that after exposure with fluences of 9.5×1019and 8.5×1020atoms·cm-2, the surface morphology doesn’t show obvious sign of erosion, the sample mass increases a little bit, and the surface chemistry changes obviously with the formation of the nonvolatile SiOx. It can be concluded that the thermal control phenyl silicone rubber has good resistance ability and is durable under the bombardment of the hyperthermal atomic oxygen. The proposed mechanism is that the formed SiOxpassivating layer acts as a protective layer protecting the underlying material from further erosion.

Laser detonation; Atomic oxygen; Thermal control phenyl silicone rubber; Corrosion resistance

2016-06-19;

2016-10-27

國家自然科學基金(21473015,41574101)；全國優(yōu)秀博士學位論文作者專項資金(201222);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(3132017067)

V

A

1000-1328(2017)06-0662-07

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.06.014

王黑龍(1988-)，男，博士生，主要從事空間環(huán)境下復合材料的抗原子氧腐蝕性研究。