基于碳納米管透明導(dǎo)電膜的航天器表面充電防護(hù)試驗(yàn)研究

李衍存，向宏文，張志平，秦珊珊，蔡震波

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

高軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中會(huì)遭遇熱等離子體，極易在衛(wèi)星表面形成充放電效應(yīng)，影響衛(wèi)星在軌可靠安全運(yùn)行[1]。為控制高軌衛(wèi)星的表面充放電效應(yīng)，NASA 和ESA 均要求衛(wèi)星表面熱控材料的外表面涂覆一層導(dǎo)電的氧化銦錫（indium-tin-oxide,ITO）[2-3]，并將ITO與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地連接，以控制衛(wèi)星表面不同部位的相對(duì)電位差，從而降低發(fā)生表面放電的風(fēng)險(xiǎn)。

一些衛(wèi)星表面熱控材料是柔性的，例如Kapton[2]。柔性熱控材料在安裝過(guò)程中會(huì)被折疊，可能導(dǎo)致附著在熱控材料上的ITO膜破裂[4]，使ITO膜電阻增大，繼而導(dǎo)致衛(wèi)星表面電位升高，甚至超過(guò)安全閾值。

近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的進(jìn)展涌現(xiàn)出許多新型的透明導(dǎo)電薄膜材料，其中碳納米管膜因其柔性可折疊的特性，受到廣泛關(guān)注[5-6]，并且已經(jīng)被研究應(yīng)用于航天器上作為外表面熱控材料[7-9]。Watson[10]從電阻率、光學(xué)特性、電荷耗散和堅(jiān)韌性等方面研究了采用碳納米管透明導(dǎo)電膜代替ITO膜作為空間靜電耗散材料的可行性，結(jié)果表明：碳納米管透明導(dǎo)電膜的透過(guò)率為53%～87%，吸收率為0.02～0.35，發(fā)射率為0.52～0.67；而衛(wèi)星常用的ITO膜的透過(guò)率為82%～86%[11]，吸收率為0.06～0.38[12]，發(fā)射率為0.65～0.80[12]，可見(jiàn)碳納米管膜和ITO膜的光學(xué)特性接近。Watson 還定性驗(yàn)證了碳納米管膜的可折疊性，并采用靜電充電方式證實(shí)了碳納米管膜不會(huì)發(fā)生電荷堆積；但未給出碳納米管膜電阻與折疊次數(shù)間的定量關(guān)系數(shù)據(jù)，也未給出碳納米管膜在空間低能電子輻照下的充電結(jié)果。

本文采用試驗(yàn)手段，定量考查碳納米管透明導(dǎo)電膜經(jīng)過(guò)不同折疊次數(shù)后的電阻變化，同時(shí)采用keV 能量級(jí)的電子對(duì)碳納米管膜進(jìn)行輻照充電試驗(yàn)，并將碳納米管透明導(dǎo)電膜的特性與ITO膜的特性進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)樣品與方法

1.1 試驗(yàn)樣品

碳納米管膜樣品采用噴涂法生產(chǎn)，厚度為25 nm。作為對(duì)比用的ITO膜采用磁控濺射技術(shù)生產(chǎn)，厚度為20 nm。

1.2 試驗(yàn)方法

在室溫（25℃±5℃）條件下分別進(jìn)行ITO膜和碳納米管膜的體電阻率測(cè)試、折疊后電阻測(cè)試以及低能電子充電試驗(yàn)。在溫度20～30℃的變化過(guò)程中，文獻(xiàn)[13]給出的ITO膜電阻相對(duì)變化低于2.5%，文獻(xiàn)[14]給出的碳納米管膜電阻相對(duì)變化低于2.7%；且2種膜的電阻變化均遠(yuǎn)低于折疊后的電阻變化數(shù)據(jù)，也低于電子束流的不均勻度，因此可不考慮室溫條件下溫度對(duì)本文試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1）體電阻率測(cè)試

將ITO膜、碳納米管膜裁剪為6.5 cm×6.5 cm 的方形樣品，按照ASTM D257[15]標(biāo)準(zhǔn)采用美國(guó)吉時(shí)利公司生產(chǎn)的Keithley 6517B靜電計(jì)和Keithley 8009電阻率測(cè)試儀組成的系統(tǒng)測(cè)試材料的體電阻率。

2）膜折疊后電阻測(cè)試

將ITO膜和碳納米管膜均裁剪為2 cm×2 cm和4 cm×4 cm 共2 種尺寸各3 個(gè)正方形樣品（如圖1所示），然后按照可對(duì)樣品造成最大破壞的彎折180°的方式進(jìn)行折疊（彎折后的樣品如圖2所示）。

圖1 ITO膜和碳納米管膜試驗(yàn)樣品Fig.1 Test samplesof ITOfilm and carbon nanotubefilm

圖2 折疊后貼導(dǎo)電銅箔的樣品Fig.2 Folded samples with conductivecopper foil

導(dǎo)電膜實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中一般采用人工方式處理，很難定量確定對(duì)膜所施加力的大小，因此從破壞導(dǎo)電膜層的角度進(jìn)行折疊操作，且操作過(guò)程中須戴手套，避免手指污物對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。彎折操作會(huì)破壞折痕處的導(dǎo)電膜，造成該處電阻增大。由于折疊狀態(tài)的導(dǎo)電膜不適合采用Keithley 8009進(jìn)行電阻率測(cè)試，故對(duì)樣品2條邊之間的電阻進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于正方形樣品，該方法可近似表征樣品的表面電阻率參數(shù)，具體方法為：在導(dǎo)電膜樣品兩端平行粘上寬0.3 mm 的導(dǎo)電銅箔，用Keithley 6517B的2個(gè)鱷魚(yú)夾夾住這2條導(dǎo)電銅箔，測(cè)量樣品的電阻以獲得折疊對(duì)膜電阻的影響，參見(jiàn)圖2。

3）低能電子充電試驗(yàn)

在真空罐中對(duì)ITO膜和碳納米管膜采用低能電子進(jìn)行充電試驗(yàn)。按照NASA-HDBK-4002A[2]給出的GEO 90%最?lèi)毫訜岬入x子體單麥克斯韋環(huán)境模型，熱等離子體中電子的典型能量為12 keV，密度1.12 cm-3，充電電流密度約0.33 nA/cm2，ESA推薦的最大充電電流考核值[3]為10 nA/cm2?；谝陨弦蛩兀疚脑囼?yàn)將電子能量設(shè)置為12 keV，電子束流范圍為0.3～11.3 nA/cm2，束流不均勻度小于10%。試驗(yàn)配置如圖3所示：樣品尺寸均為11 cm×3 cm，導(dǎo)電膜面向電子源，接受電子束流照射，模擬在軌受到熱等離子體中電子輻照的狀態(tài)；背面絕緣基底通過(guò)普通雙面膠固定在導(dǎo)電樣品臺(tái)上，樣品臺(tái)與地連接，樣品3 cm 的一條邊通過(guò)導(dǎo)電銅箔與樣品臺(tái)連接，以確保導(dǎo)電膜接地；樣品臺(tái)上有法拉第杯，用于測(cè)量電子束流，如圖3(a)所示；樣品臺(tái)安置在真空罐中，放置樣品的一面正對(duì)低能電子源，如圖3(b)所示。樣品被低能電子照射會(huì)產(chǎn)生充電電位，采用TREK-341B非接觸式探頭，測(cè)量樣品上與接地點(diǎn)距離最遠(yuǎn)位置處的電位，參見(jiàn)圖3(a)。

圖3 導(dǎo)電膜的充電試驗(yàn)配置Fig.3 Conductive film charging test configuration

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 體電阻率測(cè)試結(jié)果

碳納米管膜和ITO膜的體電阻率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，可看到二者體電阻率接近。

表1 體電阻率測(cè)試結(jié)果Table 1 Volume resistivity test results

2.2 膜折疊前/后電阻測(cè)試結(jié)果

圖4給出了經(jīng)過(guò)不同折疊次數(shù)后碳納米管膜和ITO膜的電阻變化情況，其中每類(lèi)樣品均包含3個(gè)樣品的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖4 折疊后樣品電阻測(cè)試結(jié)果Fig.4 Sample resistance test results after folding

結(jié)果顯示，折疊操作對(duì)ITO膜破壞嚴(yán)重：ITO膜2 cm×2 cm和4 cm×4 cm 樣品的初始電阻分別為3.4 kΩ、2.7 kΩ；經(jīng)過(guò)2次折疊后，電阻分別變?yōu)?8.5 kΩ、19.5 kΩ，增大為初始值的7～20倍；經(jīng)過(guò)10次折疊后，電阻分別變?yōu)?.4 MΩ、518.0 kΩ，增大為初始值的192～706倍；經(jīng)過(guò)25次折疊后，電阻分別變?yōu)?.5 MΩ、3.0 MΩ，增大為初始值的1111～2794倍。

折疊操作對(duì)碳納米管導(dǎo)電膜的破壞遠(yuǎn)低于對(duì)ITO膜的：碳納米管導(dǎo)電膜2 cm×2 cm 和4 cm×4 cm樣品的初始電阻分別為6.0 kΩ、4.1 kΩ；經(jīng)過(guò)25次折疊后，電阻分別變?yōu)?0.1 kΩ、11.9 kΩ，增大為初始值的3～4倍。

2.3 低能電子充電試驗(yàn)結(jié)果

充電試驗(yàn)時(shí)，電子束照射30 min 后對(duì)樣品的充電電位進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2，由于樣品臺(tái)尺寸的限制，分別對(duì)ITO膜和碳納米管膜進(jìn)行充電試驗(yàn)，因此2次試驗(yàn)的電子束流值略有差異。

表2 ITO膜和碳納米管膜充電試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Charging results of ITO film and carbon nanotube film

試驗(yàn)結(jié)果顯示，2種材料的充電電位均在-1.0～0 V 左右，考慮到非接觸式電位計(jì)TREK-341B的測(cè)量誤差為±1 V，可認(rèn)為這2種材料的充電電位接近0 V。同時(shí)認(rèn)為，TREK-341B的測(cè)量誤差也可能是導(dǎo)致碳納米管膜充電電位測(cè)量值不規(guī)律的原因。

3 討論

3.1 不同尺寸樣品電阻折疊特性

由圖4可以看到，2 cm×2 cm 樣品的電阻在折疊前/后均大于4 cm×4 cm 樣品的電阻。折疊前，前者的電阻比后者的電阻大19%～26%；折疊后，前者的電阻約為后者的電阻的2～5倍。

折疊前樣品2片銅箔間的電阻R可采用公式R=r(W-2d)/(W?t)計(jì)算，其中r為導(dǎo)電膜體電阻率，Ω·cm；W為樣品寬度，cm；d為銅箔寬度，cm。2 cm×2 cm 樣品和4 cm×4 cm 樣品的銅箔寬度均為0.3 mm，因此，折疊前，2 cm×2 cm 樣品的電阻應(yīng)比4 cm×4 cm 樣品的電阻大18%，與實(shí)際測(cè)量得到的19%～26%非常接近。

折疊后，2 cm×2 cm 樣品的電阻也大于4 cm×4 cm 樣品的電阻，這主要是由于操作方式帶來(lái)的差異。為模擬人工實(shí)際操作時(shí)可能發(fā)生的最壞情況，采用手指擠壓方式對(duì)樣品進(jìn)行折疊，如圖5所示，手指寬度約為2 cm，因此操作1次即可實(shí)現(xiàn)對(duì)2 cm×2 cm 樣品的折疊。而對(duì)4 cm×4 cm 樣品則需要多次擠壓才可實(shí)現(xiàn)折疊，樣品部分位置可能折疊不到位，導(dǎo)電膜未被破壞，導(dǎo)致樣品折疊后的電阻值低于2 cm×2 cm 樣品折疊后的電阻值。

圖5 樣品折疊方式Fig.5 Samplefolding method

3.2 充電特性

試驗(yàn)時(shí)，ITO膜和碳納米管膜在12 keV、0.3～11.3 nA/cm2電子束流照射下的充電電位均在測(cè)試儀器的測(cè)量誤差范圍內(nèi)，接近0 V。

采用文獻(xiàn)[16]中的電位分析方法對(duì)樣品在電子束流照射下的充電電位進(jìn)行理論分析，不過(guò)，文獻(xiàn)[16]中分析的是材料的表面電阻率ρS，本文測(cè)量得到的是材料的體電阻率ρV，二者間的換算關(guān)系為ρS=ρV/t，其中t為膜厚度，cm。

采用表1電阻率測(cè)試結(jié)果和表2電子束流數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)[16]中的電位計(jì)算方法可得到ITO膜和碳納米管膜的充電電位理論估計(jì)值，見(jiàn)表3。充電電位理論值均低于-1 V，與試驗(yàn)測(cè)量得到的接近0 V 的結(jié)果一致。由于碳納米管膜和ITO膜的電阻率接近，二者充電電位的試驗(yàn)值和理論值亦均十分接近。

本試驗(yàn)中采用的TREK-341B是充電電位測(cè)量的常用設(shè)備。受限于其測(cè)量誤差，目前試驗(yàn)得到的充電電位均接近0 V；為獲得可觀測(cè)的充電電位，應(yīng)進(jìn)一步提高樣品的充電電位。根據(jù)文獻(xiàn)[16]的理論，充電電位主要與材料樣品長(zhǎng)度、表面電阻率和充電電流3個(gè)因素相關(guān)，而樣品長(zhǎng)度受限于電子束流均勻照射面積和樣品臺(tái)尺寸，難以再增大；材料的表面電阻率是其固有參數(shù)。根據(jù)NASA-HDBK-4002A[2]給出的不同充電電流發(fā)生概率，充電電流越大、發(fā)生概率越低，空間產(chǎn)生0.7～0.8 nA/cm2充電電流的概率為每年0.1%；本次試驗(yàn)根據(jù)ESA 推薦的最大充電電流考核值[3]10 nA/cm2進(jìn)行，而該充電電流的空間發(fā)生概率極低，且屬超嚴(yán)酷考核的工程設(shè)計(jì)值，進(jìn)一步增大電子束流已無(wú)法反映空間實(shí)際充電電流情況，且10 nA/cm2已接近試驗(yàn)設(shè)備的極限能力。因此，目前沒(méi)有進(jìn)一步增大電子束流的必要性和可行性。綜上，雖然現(xiàn)有試驗(yàn)條件下難以獲得2種樣品充電電位可觀測(cè)的結(jié)果，但目前充電電位接近0 V 的試驗(yàn)結(jié)果已對(duì)低于-1 V 的充電電位理論值進(jìn)行了驗(yàn)證。

表3 導(dǎo)電膜充電試驗(yàn)值與理論估計(jì)值Table 3 Test results and estimated values of charging potential of conductive film

3.3 導(dǎo)電膜破壞對(duì)充電控制的影響

NASA-TP-2361中要求金屬化介質(zhì)材料的接地電阻不超過(guò)10 MΩ，以避免材料在空間中的充電電位超過(guò)500 V 并發(fā)生放電，影響電子元器件的正常工作。

本次試驗(yàn)中，ITO膜和碳納米管膜經(jīng)過(guò)25次折疊后的電阻分別增加為9.5 MΩ、20.1 kΩ?？梢钥吹絀TO膜的電阻已經(jīng)十分接近NASA-TP-2361的控制要求，而碳納米管膜的則還低至少2個(gè)數(shù)量級(jí)。

因此從充電控制的角度，地面折疊等操作對(duì)碳納米管膜的影響遠(yuǎn)低于對(duì)ITO膜的，并且遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中的控制要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了碳納米管膜的電阻經(jīng)過(guò)折疊后的變化，并采用低能電子輻照的手段獲得了碳納米管膜的充電特性，并與ITO膜進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：碳納米管膜和ITO膜的體電阻率分別為0.12Ω·cm、0.15Ω·cm；2種材料在低能電子輻照下的充電電位接近，試驗(yàn)值和理論值均為0 V 左右。但是，碳納米管膜的折疊特性?xún)?yōu)于ITO膜，經(jīng)過(guò)25次折疊后，碳納米管膜的電阻從初始4.1～6.0 kΩ變?yōu)?1.9～20.1 kΩ，增大為初始值的2～3倍，并且遠(yuǎn)低于充電控制要求的10 MΩ；而ITO膜的電阻從初始2.7～3.4 kΩ變?yōu)?.0～9.5 MΩ，增大為初始值的1111～2794倍，已接近充電控制要求的10 MΩ。

綜上所述，碳納米管膜的體電阻率、充電特性與ITO膜接近，但經(jīng)過(guò)折疊后的電阻變化遠(yuǎn)低于ITO膜的，故從衛(wèi)星表面充電控制的角度考慮，碳納米管膜的性能優(yōu)于ITO膜。

從航天工程實(shí)際應(yīng)用角度，還需進(jìn)一步研究碳納米管膜噴涂在聚酰亞胺基底材料上的可靠性，及其在紫外輻照、電離總劑量輻照等條件下的性能變化是否滿足空間應(yīng)用要求。