月球車光伏玻璃表面微織構(gòu)對(duì)月塵沉積量的影響

李嘉琪，李航，虞跨海，薛玉君

（河南科技大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院 b.土木工程學(xué)院 c.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003）

月球車作為一種能在月球登陸，并能對(duì)月球表面進(jìn)行觀察、分析和采樣的太空探測(cè)器，是人們對(duì)月球探索的重要工具。太陽(yáng)能光伏電池作為月球車的能源裝置，面積較大且表面被光伏玻璃覆蓋，在月球車的使用中極為重要。月球表面環(huán)境惡劣，巖石在惡劣的環(huán)境中被粉末化，在月球的表面形成一層月壤，其中，顆粒直徑在1 mm 以下的被稱為月塵[1]。在月球表面，月塵被揚(yáng)起后會(huì)沉積在太陽(yáng)能光伏電池表面，降低光伏玻璃的透光性，導(dǎo)致太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)電效率降低，給月球車的使用帶來(lái)巨大的影響。在月球勘測(cè)任務(wù)期間，勘測(cè)者 3 號(hào)的太陽(yáng)能光伏電池累積了約1 mg/cm2的月塵[2]。阿波羅14 號(hào)月球車的太陽(yáng)能光伏電池在幾天中沉積了約0.1 g/cm2的月塵，導(dǎo)致太陽(yáng)能發(fā)電效率降低了2%[3]。阿波羅15 號(hào)月塵探測(cè)裝置顯示，月塵的沉積導(dǎo)致太陽(yáng)能光伏電池在一年內(nèi)的發(fā)電效率降低16%[4]。因此，研究月塵在月球車太陽(yáng)能光伏電池表面的沉積非常重要。

目前，減少月塵在太陽(yáng)能光伏電池表面沉積的方法主要有：防塵罩和防塵板，在月球車外表面加裝機(jī)械裝置，阻擋月塵在太陽(yáng)能光伏電池表面的沉積[5-6]；噴氣除塵，使用高壓氣流對(duì)太陽(yáng)能光伏電池表面進(jìn)行沖刷，去除表面沉積的月塵[7-8]；電簾除塵，在太陽(yáng)能光伏電池表面安裝一定規(guī)律排列的平行電極，施加一定頻率的電場(chǎng)后，使用靜電力去除沉積的月塵[9-12]。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，阿波羅號(hào)探測(cè)器使用防塵罩減少了月塵在太陽(yáng)能光伏電池表面的沉積，在太陽(yáng)能光伏電池不工作時(shí)，通過電動(dòng)控制，使防塵罩張開，減少月塵的沉積。但這些方法在使用過程中會(huì)存在一些問題。防塵罩和阻塵板無(wú)法在太陽(yáng)能光伏電池工作時(shí)使用，還會(huì)增加月球車的質(zhì)量，并且容易發(fā)生機(jī)械故障。噴氣除塵系統(tǒng)會(huì)增加月球車的質(zhì)量，并且氣體無(wú)法循環(huán)使用，除塵效率較低。電簾除塵技術(shù)易發(fā)生故障，并且會(huì)消耗月球車的能源，使用效果不佳。

表面自清潔技術(shù)是一種“仿生”技術(shù)，來(lái)源于自然界中的荷葉[13]。荷葉表面布滿了帶有柱狀凸起的微結(jié)構(gòu)，可以大幅度增加水和表面的接觸角，具有較好的疏水性。許多學(xué)者通過刻蝕、鍍膜、涂層、電鍍、化學(xué)反應(yīng)、噴砂等方法，在玻璃、金屬上模仿荷葉表面，制備出具有一定自清潔性能的表面微結(jié)構(gòu)[14-19]，用于提高表面的疏水性，這種結(jié)構(gòu)也稱為表面微織構(gòu)。也有學(xué)者研究了表面微織構(gòu)如何在干燥環(huán)境下降低灰塵沉積。PAN 等[20]使用化學(xué)涂層法在光伏玻璃表面制備出3 種具有表面微織構(gòu)的薄膜，可以減少灰塵在光伏玻璃表面的沉積。WANG 等[21]在光伏玻璃表面制備出具有表面微織構(gòu)的硅基超疏水薄膜和氟基超疏水薄膜，發(fā)現(xiàn)超疏水薄膜可以減少灰塵在光伏玻璃表面的沉積，提高發(fā)電效率。FATHI 等[22]在光伏玻璃表面制備出具有表面微結(jié)構(gòu)的納米涂層，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，納米涂層可以減少灰塵的沉積并提高發(fā)電效率。這些研究表明，通過在玻璃表面制備出微織構(gòu)可以減少灰塵的沉積。自清潔表面的制備方法主要有兩種，一是表面改性，即在表面制備出涂層、鍍膜等微織構(gòu)；另一種是經(jīng)過機(jī)械加工后再進(jìn)行表面改性，即先使用機(jī)械加工制備出微織構(gòu)，然后在微織構(gòu)上進(jìn)行表面改性。這兩種方法本質(zhì)上都是通過表面改性，在表面制備出微織構(gòu)，同時(shí)降低表面自由能，達(dá)到自清潔的目的。但這兩種方法制備的微織構(gòu)的機(jī)械性能較差、容易被破壞，加工可控厚度的微織構(gòu)難度較大，使用效果不佳[23]。

針對(duì)以上兩種制備方法存在的問題，作者提出不使用表面改性，僅使用機(jī)械加工的方法在光伏玻璃表面制備微織構(gòu)，減少月塵的沉積，提高自清潔性能，這種加工方法簡(jiǎn)單快捷，機(jī)械強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)形狀可控，是自清潔表面技術(shù)研究的新方向。本文使用機(jī)械加工法在光伏玻璃表面制備出微織構(gòu)，使用火山灰?guī)r石制備模擬月塵，搭建月塵沉積試驗(yàn)系統(tǒng)，使用含表面微織構(gòu)的設(shè)計(jì)試樣與不含表面微織構(gòu)的對(duì)比試樣，進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)，旨在探究工作角度、月塵量和表面微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)形狀，對(duì)光伏玻璃表面微織構(gòu)自清潔性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

設(shè)計(jì)試樣為含有表面微織構(gòu)的光伏玻璃。光伏玻璃的表面微織構(gòu)是特定形狀、排布規(guī)律的柱狀凸起（以下簡(jiǎn)稱為表面微織構(gòu)），包括圓形表面微織構(gòu)、正方形表面微織構(gòu)與正六邊形表面微織構(gòu)。月表環(huán)境中，月塵顆粒通常是指顆粒直徑在1 mm 以下的月塵，通過對(duì)直徑1 mm 以下的月塵顆粒進(jìn)行篩分，其平均粒徑約為70 μm，約50%的月塵顆粒直徑為10～90 μm，并且月塵顆粒的形狀不規(guī)則，表面粗糙度較大[24]。在制定表面微織構(gòu)的設(shè)計(jì)方案時(shí)，為了減少月塵顆粒和表面微織構(gòu)的接觸面積，考慮柱狀凸起結(jié)構(gòu)的直徑與間距遠(yuǎn)小于絕大部分月塵顆粒的直徑，故設(shè)計(jì)微織構(gòu)的尺寸在5 μm 以下。同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)尺寸太小會(huì)增加加工難度，并且結(jié)構(gòu)形狀不容易控制。最終設(shè)計(jì)柱狀凸起微織構(gòu)最大直徑為5 μm，且以5 μm的間距均勻排布。

采用離子束刻蝕技術(shù)在光伏玻璃（以下簡(jiǎn)稱為玻璃）表面制備表面微織構(gòu)。經(jīng)過清洗及干燥后，得到8 mm×8 mm 的正方形玻璃片，中心處2 mm×2 mm 的方形區(qū)域?yàn)楸砻嫖⒖棙?gòu)，如圖1 所示。設(shè)計(jì)的試樣厚為1 mm，密度為2.23 g/m3，彈性系數(shù)為65 kN/mm2，努氏硬度為480。設(shè)計(jì)試樣共有3 種，包括圓形柱狀凸起表面微織構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱為圓形試樣）、正方形柱狀凸起表面微織構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱為正方形試樣）、正六邊形柱狀凸起表面微織構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱為正六邊形試樣）。

圖1 設(shè)計(jì)試樣照片F(xiàn)ig.1 Photo of the design sample

圖2 為表面微織構(gòu)的SEM 形貌。圖3 為表面微織構(gòu)側(cè)面SEM 形貌。從圖中看出，3 種柱狀凸起微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)形狀為圓臺(tái)、四棱臺(tái)、六棱臺(tái)。圓臺(tái)頂面直徑為3 μm，底面直徑為5 μm；四棱臺(tái)頂面邊長(zhǎng)為3 μm，底面邊長(zhǎng)為3 μm；六棱臺(tái)頂面邊長(zhǎng)為1.5 μm，底面邊長(zhǎng)為3 μm。三種結(jié)構(gòu)的高均為6 μm。以5 μm的間距均勻排布在玻璃表面。對(duì)比試樣為不含表面微織構(gòu)的光伏玻璃。對(duì)比試樣材料與設(shè)計(jì)試樣相同，整體為2 mm×2 mm 的方玻璃片。

圖2 玻璃表面微織構(gòu)的SEM 形貌Fig.2 SEM image of surface micro-texture on glass surface: a) circular; b) square; c) regular hexagonal

圖3 玻璃表面微織構(gòu)側(cè)面的SEM 形貌Fig.3 SEM image of the side of surface micro-texture on glass surface

使用火山灰?guī)r石作為模擬月塵?；鹕交?guī)r石與美國(guó)阿波羅計(jì)劃采集的月塵樣品組成成分與結(jié)構(gòu)形狀相似，故可以作為制備模擬月塵的原料[25-26]。選用直徑約2 mm 的火山灰?guī)r石，使用行星球磨機(jī)進(jìn)行粉碎，得到顆粒直徑在100 μm 以下的火山灰粉末。使用400目的網(wǎng)篩對(duì)火山灰粉末進(jìn)行篩分，得到顆粒直徑在38 μm 以下的火山灰粉末，作為模擬月塵進(jìn)行沉積試驗(yàn)。圖4 為模擬月塵照片。

圖4 模擬月塵照片F(xiàn)ig.4 Photo of lunar dust simulant

圖5 為模擬月塵的SEM 形貌。模擬月塵顆粒直徑主要在10 μm 以上，部分顆粒直徑在10 μm 以下。大部分模擬月塵顆粒的形狀不規(guī)則，表面粗糙度較大。直徑較大的模擬月塵顆粒表面存在棱角，呈塊狀。隨著模擬月塵顆粒直徑的減小，顆粒的長(zhǎng)寬比逐漸降低，形狀更加規(guī)則，呈粒狀或球狀。

圖5 模擬月塵的SEM 形貌Fig.5 SEM images of lunar dust simulant

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)設(shè)備為月塵沉積試驗(yàn)系統(tǒng)，用于模擬月塵揚(yáng)起與沉積的過程，對(duì)試樣進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)。月塵沉積試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，主要由空氣壓縮機(jī)、油水分離器、沙盒、沉積室、可調(diào)節(jié)支架、回收裝置等組成?？諝鈮嚎s機(jī)為試驗(yàn)系統(tǒng)提供高速氣流，將月塵揚(yáng)起。油水分離器對(duì)高速氣流進(jìn)行干燥與凈化。沙盒用來(lái)放置月塵，以便被高速氣流揚(yáng)起。沉積室為沉積試驗(yàn)提供密閉空間?？烧{(diào)節(jié)支架用于放置試樣，并調(diào)節(jié)工作角度θ?；厥昭b置用于回收被高速氣流帶走的月塵。

圖6 月塵沉積試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of lunar dust deposition test system

采用對(duì)比試驗(yàn)的方法進(jìn)行沉積試驗(yàn)。共進(jìn)行3 種試驗(yàn)，分別研究同一試驗(yàn)環(huán)境下，工作角度、月塵量和表面微織構(gòu)形狀對(duì)于月塵沉積的影響，試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。沉積試驗(yàn)前，使用光學(xué)玻璃清洗劑和超聲波清洗機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行清洗，在干燥箱中進(jìn)行干燥，備用；使用精密天平對(duì)月塵量進(jìn)行稱量，干燥后備用。沉積試驗(yàn)結(jié)束后，使用金相顯微鏡對(duì)設(shè)計(jì)試樣及對(duì)比試樣進(jìn)行觀察，并統(tǒng)計(jì)月塵的沉積量。

表1 月塵沉積試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Test parameters of lunar dust deposition

2 結(jié)果及分析

2.1 沉積量的評(píng)價(jià)方法

月塵沉積量定義為，在沉積試驗(yàn)后，工作表面沉積的月塵所覆蓋的面積與工作表面總面積的比值。設(shè)計(jì)試樣的工作表面為表面微織構(gòu)區(qū)域，對(duì)比試樣的工作表面為整個(gè)對(duì)比試樣表面。在進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)后，使用金相顯微鏡對(duì)表面微織構(gòu)進(jìn)行觀察，如圖7所示。從圖7 中可以看出，深色區(qū)域?yàn)槌练e的月塵，與周圍無(wú)月塵沉積的區(qū)域區(qū)分明顯。采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)工作表面沉積的月塵所占的像素個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，與工作表面所占像素總個(gè)數(shù)的比值即為月塵沉積量。

圖7 沉積試驗(yàn)后表面微織構(gòu)的金相顯微鏡圖Fig.7 Metallographic micrograph of surface micro-texture after deposition experiment

2.2 工作角度對(duì)月塵在表面織構(gòu)沉積的影響

工作角度是影響月塵沉積量的重要因素之一，在試驗(yàn)中選取30°、45°、60° 3 個(gè)工作角度，對(duì)試樣進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)，選用月塵量為3 g，其余試驗(yàn)條件相同。

圖8、圖9、圖10 分別為工作角度為30°、45°、60°時(shí)，3 種結(jié)構(gòu)形狀表面微織構(gòu)與對(duì)比試樣的金相顯微鏡圖。圖中深色區(qū)域即為沉積的月塵，隨著工作角度的增加，表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣上沉積的月塵逐漸減少。比較表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的月塵沉積情況，不同的工作角度下，3 種形狀的表面微織構(gòu)上沉積的月塵都明顯少于同試驗(yàn)條件下的對(duì)比試樣，具有較強(qiáng)的自清潔性能。

圖8 工作角度為30°時(shí)表面微織構(gòu)與對(duì)比試樣的金相顯微形貌Fig.8 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 30°: a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e)contrast sample 2; f) contrast sample 3

圖9 工作角度為45°時(shí)表面微織構(gòu)與對(duì)比試樣的金相顯微形貌Fig.9 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 45°: a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e)contrast sample 2; f) contrast sample 3

圖10 工作角度為60°時(shí)表面微織構(gòu)與對(duì)比試樣的金相顯微形貌Fig.10 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 60°: a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1;e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

統(tǒng)計(jì)工作角度為30°、45°、60°下，9 次試驗(yàn)中，表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的月塵沉積量，并計(jì)算平均月塵沉積量，結(jié)果如表2—4 所示。在同一試驗(yàn)條件下，不同試驗(yàn)中的月塵沉積量之間存在部分偏差，這是由于試驗(yàn)設(shè)備所造成的偏差，但整體上每次試驗(yàn)中表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣均處于同一試驗(yàn)環(huán)境中，所以表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的試驗(yàn)條件是完全相同的，因此可以使用平均月塵沉積量進(jìn)行對(duì)比，判斷表面微織構(gòu)的自清潔性能。計(jì)算平均月塵沉積量時(shí)，為了減少極值的影響，去除極大值與極小值后，計(jì)算平均月塵沉積量。從表2—4 可以看出，在試驗(yàn)條件相同的情況下，表面微織構(gòu)上沉積的月塵更少，并且3 種表面微織構(gòu)中，正六邊形表面微織構(gòu)上的平均月塵沉積量最少，正方形表面微織構(gòu)上的平均月塵沉積量最多。

表2 工作角度為30°時(shí)表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的月塵沉積量Tab.2 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 30°

表3 工作角度為45°時(shí)表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的月塵沉積量Tab.3 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 45°

表4 工作角度為60°時(shí)表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣沉的月塵沉積量Tab.4 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 60°

為了探究表面微織構(gòu)的自清潔性能和工作角度的關(guān)系，由表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的平均月塵沉積量，得到圖11 所示的變化曲線。圖中，縱軸為表面微織構(gòu)月塵沉積量和對(duì)比試樣月塵沉積量的比值，比值越小，說(shuō)明表面微織構(gòu)的自清潔性能越強(qiáng)。隨著工作角度的增加，表面微織構(gòu)的自清潔性能逐漸增強(qiáng)。在工作角度為60°時(shí)，3 種形狀的表面微織構(gòu)的自清潔性能比30°和45°時(shí)的自清潔性能好。此時(shí)，圓形表面微織構(gòu)的月塵沉積量?jī)H為對(duì)比試樣的21.74%，正方形表面微織構(gòu)是26.93%，正六邊形表面微織構(gòu)是18.64%。3 種形狀的表面微織構(gòu)中，正六邊形表面織構(gòu)的自清潔性能最強(qiáng)，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最差。

圖11 不同工作角度下表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的平均月塵沉積量比值的變化情況Fig.11 Changes of the ratio of the lunar dust average deposition amount of surface micro-textures and contrast samples under different working angle

2.3 月塵量對(duì)月塵在表面織構(gòu)沉積的影響

月塵量是影響月塵沉積的重要因素之一。試驗(yàn)中選取3、5、7 g 3 個(gè)月塵量，對(duì)試樣進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)，工作角度為45°，其余試驗(yàn)條件相同。

圖12、圖13、圖14 分別為月塵量為3、5、7 g時(shí)，3 種結(jié)構(gòu)形狀表面微織構(gòu)與對(duì)比試樣的金相顯微鏡形貌。圖中深色區(qū)域?yàn)槌练e月塵，隨著月塵量的增加，表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣上沉積的月塵逐漸增加。比較表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣上月塵沉積的情況，在不同的月塵量下，3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)上沉積的月塵均明顯少于同試驗(yàn)條件下的對(duì)比試樣，具有較強(qiáng)的自清潔性能。

圖12 月塵量為3 g 時(shí)表面微織構(gòu)與對(duì)比試樣的金相顯微鏡圖Fig.12 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 3 grams:a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

圖13 月塵量為5 g 時(shí)表面微織構(gòu)與對(duì)比試樣的金相顯微鏡圖Fig.13 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 5 grams:a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

圖14 月塵量為7 g 時(shí)表面微織構(gòu)與對(duì)比試樣的金相顯微鏡圖Fig.14 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 7 grams:a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

當(dāng)月塵量為3、5、7 g 時(shí)，統(tǒng)計(jì)9 次試驗(yàn)中表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣表面沉積的月塵量，并計(jì)算平均月塵沉積量，結(jié)果如表5—7 所示。從表5—7 可以看出，相同試驗(yàn)條件下，表面微織構(gòu)上的月塵沉積量明顯少于對(duì)比試樣，并且正六邊形表面微織構(gòu)上的平均月塵沉積量最少，正方形表面微織構(gòu)上的月塵沉積量最多。

表5 月塵量為3 g 時(shí)表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的月塵沉積量Tab.5 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 3 grams

表6 月塵量為5 g 時(shí)表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的月塵沉積量Tab.6 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 5 grams

表7 月塵量為7 g 下表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的月塵沉積量Tab.7 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 7 grams

為了探究表面微織構(gòu)自清潔性能和月塵量的關(guān)系，對(duì)比表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的平均月塵沉積量，結(jié)果如圖15 所示。隨著月塵量的增加，表面微織構(gòu)的自清潔性能先增強(qiáng)后減弱。月塵量為5 g 時(shí)，表面微織構(gòu)的自清潔性能都比對(duì)比試樣強(qiáng)。此時(shí)，圓形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對(duì)比試樣月塵沉積量的26.71%，正方形表面微織構(gòu)為26.43%，正六邊形表面微織構(gòu)為19.24%。3 種結(jié)構(gòu)形狀表面微織構(gòu)中，正六邊形表面織構(gòu)的自清潔性能最強(qiáng)，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最差。

圖15 不同月塵量下表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣的平均月塵沉積量的比值變化情況Fig.15 Changes of the ratio of the lunar dust average deposition amount of surface micro-textures and contrast samples under different amount of lunar dust

2.4 結(jié)構(gòu)形狀對(duì)月塵沉積的影響

從不同工作角度與不同月塵量的試驗(yàn)結(jié)果中可知，3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)均可以減少月塵在玻璃表面的沉積，并且正六邊形表面微織構(gòu)的平均月塵沉積量少于圓形和正方形表面微織構(gòu)。這些試驗(yàn)條件相同，但并未處于同一試驗(yàn)環(huán)境中，可能存在偶然性，需在同一試驗(yàn)環(huán)境下驗(yàn)證月塵沉積情況。因此，將3種不同結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)，置于同一沉積試驗(yàn)中，工作角度為45°，月塵量為3 g，重復(fù)9 次。

圖16 為相同試驗(yàn)環(huán)境下，3 種不同結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)的金相顯微形貌。從圖16 中可以看出，圓形表面微織構(gòu)與正六邊形表面微織構(gòu)的月塵沉積量少于正方形表面微織構(gòu)。統(tǒng)計(jì)9 次試驗(yàn)后表面微織構(gòu)的月塵沉積量，并計(jì)算平均月塵沉積量，結(jié)果見表8。從表8 中可以看出，在同一試驗(yàn)條件下，正六邊形表面微織構(gòu)的平均月塵沉積量最少，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最多。證明3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)中，正六邊形表面微織構(gòu)的自清潔性能最好，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最差。

表8 表面微織構(gòu)的月塵沉積量Tab.8 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture

圖16 表面微織構(gòu)的金相顯微鏡圖Fig.16 Metallographic micrograph of the surface micro- texture: a) circular surface micro-texture; b) square surface microtexture; c) regular hexagonal surface micro-texture

2.5 表面微織構(gòu)自清潔性能機(jī)理分析

顆粒和表面發(fā)生碰撞時(shí)，顆粒會(huì)受到來(lái)自表面的粘附力，在粘附力和自身重力的共同作用下，顆粒沉積或脫離表面。通過減少表面對(duì)顆粒的粘附力就可以減少顆粒在表面的沉積。粘附力是表面和顆粒之間互相吸引所產(chǎn)生的作用力，主要為范德華力和靜電力[27]。對(duì)于直徑在50 μm 以下的顆粒，范德華力起主導(dǎo)作用[28]。影響范德華力的因素包括：表面和顆粒的材料、顆粒直徑、顆粒和表面的距離、顆粒和表面的接觸面積等[29]。因此，在表面和顆粒不發(fā)生改變的情況下，可以在表面制備出微織構(gòu)，通過減少顆粒和表面的接觸面積，進(jìn)而降低表面對(duì)顆粒的粘附力，使顆粒在重力和粘附力的作用下脫離玻璃表面，達(dá)到自清潔的效果。

圖17 為月塵與玻璃表面接觸的示意圖。在沉積試驗(yàn)中，采用火山灰?guī)r石制備模擬月塵，所以月塵顆粒形狀不規(guī)則，表面粗糙度較大。在試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)試樣和對(duì)比試樣是按照一定的工作角度進(jìn)行放置的。由圖17a 可以看出，月塵和對(duì)比試樣接觸時(shí)，接觸面積較大，玻璃對(duì)月塵的粘附力使月塵更容易發(fā)生沉積。當(dāng)月塵和表面微織構(gòu)接觸時(shí)，由于表面微織構(gòu)中的柱狀凸起直徑較小，顆粒更容易與柱狀凸起結(jié)構(gòu)的邊緣相接觸，所以接觸面積小于顆粒和對(duì)比試樣的接觸面積（圖17b），因此顆粒所受的粘附力更小。所以，在重力和粘附力的作用下，顆粒更容易脫離表面微織構(gòu)，從而減少月塵在表面微織構(gòu)上的沉積。

圖17 月塵與玻璃表面接觸示意圖Fig.17 Schematic diagram of contact between lunar dust and glass surface: a) contrast sample; b) surface micro-texture

從試驗(yàn)結(jié)果看，在不同工作角度和不同月塵量下，月塵和表面微織構(gòu)的接觸面積小于月塵和對(duì)比試樣的接觸面積，所以月塵受到來(lái)自微織構(gòu)的粘附力更小。在重力和粘附力的共同作用下，月塵難以沉積在表面微織構(gòu)上。隨著工作角度的增加，月塵的重力對(duì)月塵沉積的影響逐漸增大，粘附力對(duì)月塵沉積的影響減弱，因此工作角度增加時(shí)，表面微織構(gòu)的自清潔性能越來(lái)越強(qiáng)。隨著月塵量的增加，月塵顆粒的數(shù)量開始增加，小直徑的月塵顆粒結(jié)合為大直徑的月塵顆粒，表面微織構(gòu)作用減弱，月塵受到的粘附力增大。從圖12—14 可知，表面微織構(gòu)和對(duì)比試樣上沉積的大直徑月塵顆粒逐漸增多，因此表面微織構(gòu)的自清潔性能出現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的情況。3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)中，尺寸相同時(shí)，正六邊形表面微織構(gòu)的表面積最?。▓D2），月塵與其的接觸面積小，因此正六邊形表面微織構(gòu)相對(duì)于圓形和正方形表面微織構(gòu)具有更強(qiáng)的自清潔性能。

3 結(jié)論

1）僅用機(jī)械加工的方法在光伏玻璃上制備出形狀規(guī)則、排布均勻的圓形、正方形和正六邊形柱狀凸起表面微織構(gòu)，可以減少月塵的沉積，這些微織構(gòu)具有較強(qiáng)的自清潔性能，并且隨著工作角度、月塵量的改變，表面微織構(gòu)仍具有較強(qiáng)的自清潔性能。

2）在30°、45°、60° 3 種工作角度下，隨著工作角度的增大，表面微織構(gòu)的自清潔性能逐漸增強(qiáng)。工作角度為60°時(shí)，圓形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對(duì)比試樣的21.74%，正方形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對(duì)比試樣的26.92%，正六邊形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對(duì)比試樣的18.64%。

3）月塵量分別為3、5、7 g 時(shí)，隨著月塵量的增加，表面微織構(gòu)的自清潔性能先增強(qiáng)后減弱。月塵量為5 g 時(shí)，圓形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對(duì)比試樣的26.71%，正方形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對(duì)比試樣的26.43%，正六邊形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對(duì)比試樣的19.24%。

4）在圓形、正方形、正六邊形3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)中，正六邊形表面微織構(gòu)的自清潔性能最強(qiáng)，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最差。