空间Kapton材料的原子氧、温度、紫外效应试验研究

主要通过灯丝放电磁场约束型原子氧剥蚀效应地面模拟设备模拟空间环境,对空间常用材料Kapton进行了原子氧剥蚀效应、温度升高对材料原子氧效应的影响试验以及原子氧与紫外辐射复合效应试验,对试验前后试样的外观、质量及表面形貌进行了比较,得出了材料在设备中的反应特点以及温度变化、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律.同时测量了原子氧暴露试验前后、原子氧与紫外辐射复合作用前后试样的反射率和透射率,并进行了比较.      

有机硅烷提高航天器树脂材料抗原子氧剥蚀

为了提高航天器树脂材料的抗原子氧剥蚀的性能,把缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷加入到环氧树脂中,并对所制成的环氧树脂试样进行原子氧效应地面模拟试验,对试验前后试样的质量损失、表面形貌、表面成分和结构的变化进行了对比和分析.结果表明,添加有机硅烷可以有效地提高环氧树脂的抗原子氧剥蚀性能,试样表面在原子氧的作用下生成了一种三维网状结构,该结构有效地阻止了原子氧对底层材料的进一步剥蚀,使试样的质量损失和剥蚀率明显下降.50h实验之后,添加了质量分数为25.0%的有机硅烷,该材料的剥蚀率约为纯环氧树脂的25%.      

杂化聚酰亚胺的制备及其耐原子氧剥蚀性能

低地球轨道环境中的原子氧会剥蚀航天器表面材料,影响其性能和寿命,因此在使用时需要选用合适的手段来进行原子氧防护。采用溶胶-凝胶法,利用正硅酸乙酯在树脂体系中的水解-缩合反应,在基体中原位生成无机相而获得杂化聚酰亚胺。在原子氧效应地面模拟设备中,对杂化聚酰亚胺试样开展了性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了材料耐剥蚀性能与正硅酸乙酯添加量的关系、杂化材料的耐剥蚀机理。结果表明,杂化聚酰亚胺的耐原子氧性能优于原树脂,其原子氧试验质量损失仅为原树脂的31。6% ~14。8%。分析认为,溶胶-凝胶过程中在树脂基体中生成的有机含硅结构和无机SiO₂,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO₂保护层,是杂化材料耐原子氧剥蚀性能提高的原因。     

溶胶-凝胶法提高树脂抗原子氧性能的试验

为提高航天器用树脂基材料的抗原子氧剥蚀性能,将正硅酸乙酯(TEOS,Tetraethyl Orthosilicate)加入环氧树脂溶液中,采用溶胶-凝胶法,制备出SiO₂／环氧杂化材料.在空间环境原子氧效应地面模拟设备中,对材料试样开展了抗原子氧剥蚀性能评估试验,总结了试验前后试样的质量、表面形貌和表面成分的变化特点,并分析了溶胶-凝胶所得杂化材料抗剥蚀性能提高的机理.分析认为:溶胶-凝胶反应过程中在树脂基体内生成的聚硅氧烷和SiO₂,以及原子氧作用下杂化材料表面生成的SiO₂保护层,是杂化材料抗剥蚀性能得以提高的主要原因.     

氧化物涂层对航天器材料原子氧剥蚀的防护

采用磁控溅射方法在航天器常用材料聚酰亚胺(Kapton)表面沉积无机氧化物涂层(TiO₂和SiO₂),来提高材料的抗原子氧剥蚀性能.通过选择试验材料和参数,优化了沉积涂层的工艺,以克服容易产生裂纹的缺点.对材料进行了原子氧效应地面模拟试验,结果表明,在Kapton上沉积涂层后,质量损失下降了2个数量级.另外,有涂层的Kapton表面基本没有变化并且没有出现裂纹.其中,TiO₂由于热膨胀系数更接近Kapton,比SiO₂的防护效果更好.     

航天器用新型聚酰亚胺薄膜性能研究

原子氧是低地球轨道环境中对航天器影响较为严重的因素之一. 为了提高聚酰亚胺薄膜抗原子氧侵蚀的性能, 依据结构与性能的关系, 设计合成了新型的聚酰亚胺薄膜. 采用这种新型聚酰亚胺薄膜制备了二次表面镜, 利用地面模拟设备对热控涂层进行原子氧暴露试验, 结果表明其具有优异的耐原子氧侵蚀性能. 此外, 真空elax-elax紫外、真空elax-elax质子、真空elax-elax电子辐照等空间环境模拟试验表明, 这种耐原子氧聚酰亚胺薄膜二次表面镜热控涂层具有良好的空间稳定性.      

研究原子氧对空间材料效应的氧等离子体试验装置

介绍我所研制成的一台评价原子氧对空间材料效应的高频放电氧等离子体试验装置的结构和性能.对Kapton试样的测试表明:用这种装置试验的结果与美国洛克希德公司装置的测试结果相当.其作用强度相当于200km高度轨道中原子氧作用强度的4倍以上.     

碳纤维/环氧复合材料的原子氧剥蚀效应试验研究

碳纤维/环氧树脂用在空间飞行器上时,面临着空间环境中各种因素特别是原子氧效应的影响,因而在地面模拟设备中对这种材料进行了原子氧剥蚀效应试验研究,并且考察了温度变化的影响.通过比较试验前后试样的质量及表面形貌,得出了材料在设备中的反应特点以及温度变化对材料原子氧效应的影响规律.同时,还对设备中存在的离子氧在材料的质量损失中所起到的作用进行了定性的研究.     

纳米ZnO-有机硅复合涂层的抗原子氧剥蚀性能

为了进一步提高有机硅涂层的抗原子氧剥蚀能力,采用经硅烷偶联剂处理的纳米ZnO微粒,在聚酰亚胺薄膜基材表面制备出纳米ZnO-有机硅复合涂层.通过原子氧地面模拟试验,研究了纳米ZnO-有机硅复合涂层的质量损失、表面形貌及化学成分的变化规律.结果表明:经表面处理的纳米ZnO微粒可以均匀分布在有机硅涂层中,有效消除有机硅树脂成膜过程中产生的微裂纹.经过原子氧辐照试验,没有保护涂层的聚酰亚胺基材的质量损失较大,而涂覆纳米ZnO-有机硅复合涂层具有良好的抗原子氧剥蚀性能,其质量损失和微观表面形貌变化很小,并且随着涂层中纳米ZnO含量的增加,其抗原子氧剥蚀的能力进一步增强.     

太阳紫外辐射对星上光学膜层的影响

光学遥感是当前卫星遥感的重要手段, 而卫星温控和能源系统也广泛采 用光学膜层, 它们在空间环境条件下的性能对卫星应用任务的完成, 乃至卫星寿命、安全将起着非常重要的作用. 本文给出了太阳紫外辐射对星上光学膜层影响的主要机制, 分析了这一影响的主要规律和原子氧剥蚀、高能粒子和静电场的作用, 综述了太阳紫外辐射对星上光学系统表面膜层影响的测量结果, 最后提出了星上光学膜层污染防护中应重点关注的几个方面.      

LEO原子氧对空间材料侵蚀的数值模拟

提出了吸附作用(包括物理吸附和化学吸附)是引起空间材料原子氧腐蚀的主要机理.以此为依据,建立了相应的腐蚀量的反应-扩散方程.应用分子动力学经典碰撞理论的估算表明了方程中的物理作用项对于扩散效应为一小量,从而进一步简化了方程.在所建立的模型方程中,选用了基于Eyring绝对速率理论的扩散系数.对空间表面材料Kapton在近地轨道LEO(Low Earth Orbit)环境受原子氧侵蚀的过程进行了数值模拟,计算结果与飞行试验数据在误差允许的范围内符合得较好.     

Kapton表面复合氧化硅涂层抗原子氧性能研究

通过溶胶-凝胶工艺以正硅酸乙酯(TEOS)和γ-(甲基丙稀酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MEMO)为前躯体在聚酰亚胺薄膜(Kapton)基体上制备了有机/无机复合氧化硅涂层,地面模拟原子氧暴露试验表明涂层防护使基体的原子氧侵蚀速率下降了一个数量级,暴露前后基体的光学性能基本没有改变,加入MEMO相对量为0.2时涂层抗原子氧性能较好。扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外衰减全反射光谱(FTIR-ATR)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明原子氧暴露后Si-O-Si基团特征峰均向纯氧化硅的硅氧键吸收峰处偏移,而由MEMO产生的Si 2p价态峰减弱,因此涂层趋向于转化为稳定的纯氧化硅结构。     

真空紫外辐射对空间有机防护涂层的降解研究

对环氧树脂、醇酸树脂、聚氨酯及有机硅树脂防护涂层在真空紫外线作用下的表面层变化进行了研究。发现在所采用的氘灯真空紫外光源的作用下,环氧树脂、醇酸树脂、聚氨酯质损较大,且表面出现“暗化”现象;有机硅树脂质损相对较小,在连续辐照过程中涂层表面颜色不发生改变,抗紫外老化能力强。光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)对试验前后样品进行表征研究,探索真空紫外效应的影响规律,对真空紫外与涂层的反应机理也做了相应的分析:结构不同的有机涂层对真空紫外(VUV)的敏感程度不同,含环氧环、C-N和支链的有机涂层,最易受到VUV破坏而裂解;Si-O、苯环、C=O,在VUV辐照环境下相对稳定。     

Infrared spectrometer PFS for the Mars 94 orbiter

Thin films containing a mixture of aliphatic (glycine) and aromatic (tryptophan or tyrosine) amino acids were exposed to a vacuum ultraviolet radiation (VUV) with wavelenghts 100–200 nm. Dipeptides (glycyl-tryptophan and glycyl-tyrosine) were synthesized in these conditions. We compared the actions of VUV and γ-radiation. Polymerization is an essential step in prebiological evolution and we have shown that this stage probably occured over an early Solar system history.     

基于BP神经网络的介质表面充电电位反演方法

为了实现全面、实时的在轨卫星充放电风险分析,基于在相同环境下,不同材料表面充电的关联性,利用BP神经网络建立了一种由Kapton材料表面充电电位反演卫星其他常用介质材料表面电位的模型。以Kapton材料的表面电位以及材料厚度为输入,其他介质材料的表面电位作为模型输出,使用COMSOL建立的表面充电模型对神经网络进行训练,将反演误差降低到10%以下,并利用Kapton与Teflon材料表面充电地面试验数据验证反演模型的准确性,结果显示Teflon表面电位的反演值与实测值间的相对误差小于16%。     

原子氧对红外干扰材料消光性能的影响研究

为探索大气中的红外干扰材料可否应用于外层空间, 利用原子氧效应地面模拟装置对铜粉和石墨粉两种红外干扰材料样品进行了原子氧暴露实验, 并对样品进行了质量分析、XRD分析和红外透过率测试. 结果表明, 原子氧累积通量达到5.0×1019cm-2时, 铜粉样品质量增加0.004mg•cm-2,石墨粉样品质量损失0.117mg•cm-2; 原子氧暴露后, 铜粉对3~5μm与8~12μm红外质量消光系数由3.64 m2•g-1与2.74 m2•g-1变为3.14 m2•g-1与2.65 m2•g-1, 消光能力降低; 石墨粉对3~5μm和8~12μm红外的质量消光系数由6.54 m2•g-1和5.78 m2•g-1减小为2.38 m2•g-1和2.27 m2•g-1, 消光能力明显减弱.      

卫星天线抗静电技术研究的进展

论述了卫星天线的主要电环境：地球同步轨道和低高度极轨空间环境;卫星天线表面充电的危害性; 抗静电膜的发展水平。已研制出了导电膜＋ Ｋａｐｔｏｎ（聚酰亚胺） ＋ 温控漆的复合结构抗静电膜和加有氧化锡的可溶性高聚物涂层。通过环境效应试验、抗静电膜对天线电性能影响的试验和模拟极光充电环境下的充放电评估实验, 证明抗静电膜符合天线性能要求, 并可以有效控制天线表面的充电电位