LEO原子氧剥蚀太阳电池阵Ag互连材料的试验研究

暴露在低地球轨道(LEO)上的太阳电池阵,会与大量具有极强氧化性的原子氧发生碰撞,导致太阳电池阵中对氧原子敏感的Ag互连材料受到剥蚀。文章依据原子氧剥蚀Ag材料的机理,选取了约400 km高度轨道上1年时间内原子氧的累积通量作为最高剂量,进行了原子氧剥蚀不同厚度Ag互连材料的地面模拟环境试验。试验表明:Ag在原子氧作用下在宏观上会经历"氧化—剥落"的循环剥蚀过程。根据反应方程简化推导了Ag互连片的剥蚀厚度公式,同时结合试验结果计算出了不同厚度Ag互连材料的厚度损失率。该研究成果可为LEO太阳电池阵原子氧防护设计提供技术支持。     

地面模拟空间环境下磷酸盐涂层的摩擦学行为

针对有机类固体润滑防护涂层长期暴露在空间环境下涂层表面降解、致密性下降、润滑作用失效等问题,设计开发了改性磷酸盐黏结固体润滑防护涂层。通过地面模拟空间综合环境设备系统,分析了改性磷酸盐黏结固体润滑防护涂层在长时间紫外、原子氧、高能质子和电子辐照后的结构变化和真空摩擦学性能。结果表明:紫外和高能粒子辐照对改性磷酸盐黏结固体润滑涂层的力学和真空摩擦磨损性能均无影响;原子氧对涂层表面的二硫化钼具有一定的氧化作用,但并未影响涂层的摩擦磨损性能,涂层经过各种辐照后仍然表现出良好的润滑作用。该涂层有望应用于航天飞行器相关运动部件的润滑与防护。     

空间原子氧环境对航天器表面侵蚀效应及防护技术

文章阐述了空间原子氧环境及其对航天器表面的侵蚀机理、损伤效应、防护方法,介绍了北京卫星环境工程研究所在原子氧防护技术研究方面取得的进展。过去5年里,该所采用物理气相沉积、溶胶-凝胶化学等方法制备了原子氧防护涂层,并对涂层样品进行了环境适应性评估试验,获得了初步的研究结果。结果表明这些样品均表现出很好的抗原子氧性能。     

原子氧环境效应的地面模拟技术

系统论述了原子氧和航天器表面常用聚合物材料反应的微观机理,并从宏观角度对这些材料的性能进行了评估。同时也总结了国外在原子氧防护技术研究方面所取得的最新成果。     

航天器的原子氧防护

在近地轨道飞行的航天器上的材料将会由于与大气层中的原子氧发生反应而损耗。对于在轨道上停留时间较长的空间站而言,原子氧防护将成为一个关键性问题。本文报道了美国航天飞机有关材料暴露试验的结果,表明材料损耗随原子氧通量而变化,与大气密度等多种因素有关。同时也指出了研制氧原子防护涂层的必要技术途径。     

原子氧对航天器热控材料影响试验研究

原子氧对航天器热控材料的影响是航天器热控设计必须考虑的因素之一。文章对航天器舱外常用热控涂层和外用复合膜两类材料进行了地面原子氧及原子氧+远紫外辐照试验,试验获取了不同原子氧积分通量下涂层和复合膜的影响数据,并对热控材料实施部位性能退化的关系进行了分析,研究结果将为航天器热控设计与分析提供数据支持。     

空间原子氧环境对太阳电池阵的影响分析

空间原子氧是危害低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的最主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对包括太阳电池阵在内的航天器外表面暴露材料和组件造成危害。文章分析了某载人航天器在轨原子氧环境、原子氧对不同结构太阳电池阵所用材料的影响以及对太阳电池阵组件电性能的影响,结果表明原子氧对材料的作用能够引起太阳电池阵基板强度降低、电连接可靠性下降及电缆线护套失效等风险,材料的损伤会导致太阳电池组件电性能的下降。鉴于以上结果,作者建议在今后LEO长寿命航天器太阳电池阵研制中,应对原子氧环境条件进行详细设计;同时开展组件级试验,以对电池阵原子氧防护设计的有效性进行验证。     

航天器防护高能带电粒子的新方法

低地球轨道的原子氧化学性能非常活泼,能使金属铜氧化。XRD(X射线衍射)、XPS(X射线光电子谱)分析结果表明:原子氧作用后,铜的表面生成了氧化铜和氧化亚铜,从而使铜的导电性能、光学性能、焊接性能和结构强度下降。铜与原子氧的氧化反应与温度有关,随着反应温度的增加,反应更加容易。地面试验结果表明:生成的氧化铜或氧化亚铜在原子氧撞击作用下,从试样表面脱落,并沉积到其他试样的表面,从而对其他表面产生较为严重的污染。该研究结果可为在轨航天器污染控制提供参考。     

表面缺陷对原子氧掏蚀效应影响的数值模拟研究

Kapton作为基底的热控涂层被广泛应用于航天器的外表层设计中,表面保护层中缺陷处所发生的掏蚀效应是近地轨道空间飞行时原子氧对此类热控材料作用的一种主要方式.文章通过蒙特卡洛方法研究了这些尺寸参数与原子氧效应之间的关系.结果表明,保护层缺陷的宽度直接影响进入缺陷内的原子氧的数量,空腔的"颈部"宽度与空腔最大宽度之比随着缺陷宽度增加,掏蚀深度的增加速度则随着缺陷的加宽而变小;保护层厚度主要对初次入射原子氧的入射过程有影响,加厚保护层可以减小原子氧的掏蚀深度和掏蚀空腔的宽度.这些结果可为原子氧防护层的设计提供参考依据.     

原子氧与飞行器表面撞击的束流强度和能量

原子氧是低地球轨道飞行器经受的重要环境因素。作用到不同姿态表面的原子氧的束流强度和能量不同。文章采用热力学统计物理方法,考虑了飞行器的运动和原子氧的热运动速度,建立了原子氧与飞行器表面作用的模型;对不同攻角的原子氧束流强度和作用能量进行了分析、计算;并与美国长期空间暴露试验装置实测的结果进行了比较;分析了产生差异的原因。     

ITO/Kapton/Al薄膜材料空间微小碎片与原子氧综合作用试验研究

空间微小碎片与原子氧作用对带防护涂层材料的性能有较大影响。文章针对ITO/Kapton/Al薄膜进行了微小碎片与原子氧综合作用的试验研究。结果表明:微小碎片与原子氧作用后,薄膜表面损伤严重,质量损失明显;综合作用和单独碎片撞击造成材料太阳吸收比的退化程度一致;综合作用造成ITO/Kapton/Al表面In、Sn含量降低,C含量低于单独碎片作用样品。     

航天器迎风面不同位置原子氧掏蚀效应的数值模拟研究

Kapton作为基底的热控涂层被广泛应用于航天器的外表层设计中。近地轨道航天器的飞行方向与航天器表面法线之间的夹角(在本文中简称为ANI)对原子氧掏蚀效应有较大的影响。文章利用Monte Carlo方法研究了航天器迎风面(即0°≤ANI≤90°处)上ANI与掏蚀效应之间的关系。结果表明,束流和撞击能量不变时,ANI的增加会引起原子氧掏蚀空腔发生同向倾斜,空腔的深度不断减小,而宽度将急剧增加;当保护层厚度一定时,ANI的增加还会引起缺陷处入射的原子氧的反应率降低。     

原子氧辐照对MoS_2/酚醛环氧树脂粘结固体润滑涂层摩擦磨损性能的影响

为了揭示低地球轨道环境中的原子氧对粘结固体润滑涂层摩擦学性能的影响,制备了MoS2/酚醛环氧树脂粘结固体润滑涂层,并在原子氧地面模拟没备中对其进行辐照.采用球盘摩擦试验机考察了辐照前后涂层的摩擦磨损性能,并通过扫描电子显微镜(SEM)和X-射线光电子能谱仪(xPs)分析了辐照对涂层表面结构和组成的影响.研究发现,原子氧辐照增大了涂层的摩擦系数,降低了其耐磨性.表面结构和组成分析表明,原子氧辐照引起涂层中固体润滑剂MoS2发生部分氧化和粘结剂发生部分降解,使得涂层表面的O含量显著增大,而C含量明显降低.原子氧辐照引起的涂层表面结构和组成的变化是其改变粘结固体润滑涂层摩擦学性能的主要原因.     

原子氧环境下磁力矩器用聚合物材料的质损和红外光谱分析

文章利用新型的原子氧环境模拟设备进行真空和原子氧试验,通过质量损失测量和FT-IR分析,对试样的质量损失率(SAML)和表面成分的变化进行了研究。试验结果表明:真空环境会导致材料产生质量损失,4种材料中真空质损最大相差24倍;原子氧作用导致聚合物材料产生质量损失,4种材料中质量损失率最大相差25倍;原子氧与有机硅物质反应能够形成保护层,可以抑制原子氧对材料内部的进一步侵蚀。FT-IR分析结果表明,原子氧作用导致环氧材料的-N消失,O元素百分比含量升高,硅橡胶的化学键被破坏,并导致新的O-H和C-H的生成。     

Kapton抗原子氧侵蚀的Al2O3涂层研究

在原子氧侵蚀地面模拟设备中对Kapton和利用反应溅射制备的Al2O3涂层进行了原子氧暴露实验，并采用XPS和SEM等分析手段对暴露前后试样表面的物理和化学变化进行了研究。结果表明，Kapton试样遭受了严重的侵蚀，质量损失较大；Al2O3涂层质量变化很小，对基体提供了良好的保护作用。XPS分析结果表明，Kapton的羰基与原子氧作用时形成CO2，随后CO2气体脱附。反应溅射的Al2O3涂层是富Al的，初始暴露时由于氧化反应而质量有少许增加，随时间延长，涂层变得完全符合化学计量。     

碳/氰酸酯复合材料原子氧效应试验研究

选取具有良好应用前景的M40/DFA-1、M40/DFA-N3(添加TiO2纳米颗粒)碳纤维增强氰酸酯基复合材料为研究对象,开展航天器在轨原子氧环境地面模拟试验,通过表面/断口形貌观察、质量损失测试、层间剪切强度测试以及表面成分分析等方式,分析探讨了上述2种碳/氰酸酯基复合材料的原子氧损伤效应。结果表明,在原子氧的作用下,2种材料表面树脂均受到了一定程度的剥蚀,添加纳米颗粒的M40/DFA-N3质损率及原子氧剥蚀率相对更高,但层间剪切强度下降幅度相对较小,这可能是由于其氧化反应更加剧烈,生成的碳氧双键比例更高的结果。     

一种原位测量轨道原子氧效应的电阻型传感器

为了发展原子氧环境及其效应飞行实验技术,获得在轨飞行实验数据,北京卫星环境工程研究所研制了一种小型、低成本的原子氧环境及其效应探测器。这种探测器的传感器采用对原子氧敏感的导电材料制备电阻膜。电阻膜在飞行试验中遭遇到原子氧剥蚀。在轨道飞行实验中,通过原位监测受原子氧剥蚀传感器电阻值的变化,可以探测原子氧环境通量密度及被试验样品的原子氧剥蚀率。目前,采用电镀法及紫外线光刻和金属刻蚀微加工技术,已经成功制备了原子氧通量密度锇膜电阻传感器。它可以测量原子氧的通量密度和积分通量,在400～500 km的轨道高度工作寿命约为1年。原子氧效应探测器是在石英玻璃基底上淀积银膜,试验材料膜涂覆在银膜上。试验材料膜在轨与原子氧反应而变得越来越薄,当其被完全剥蚀后,暴露出来的银膜迅速被氧化,并且电阻变大。试验材料膜的剥蚀时间可以确定,试验材料的原子氧剥蚀率就可以计算出来。     

几种航天器热控涂层的原子氧环境效应评价

热控涂层是航天器重要的功能性材料。通过我国航天器常用的几种热控涂层的原子氧束流试验,给出了原子氧辐照前后它们的热学参数的变化和一些初步的结论。     

苯基硅橡胶热控涂层材料抗原子氧腐蚀能力的研究

为了评估材料的抗原子氧腐蚀能力,首先在地面模拟设备上通过激光爆破法产生平动能约为4.5 e V的原子氧束源,然后利用此高能氧束源对苯基硅橡胶热控涂层材料进行暴露实验。材料受高能原子氧轰击而导致的影响,分别通过质量、X射线光电子能谱和扫描电镜进行表征。结果显示,原子氧累积通量9.5×10~(19)atoms/cm~2及8.5×10~(20)atoms/cm~2暴露实验后,材料表面微观形貌没有明显腐蚀,质量有少许增加,表面化学组成发生明显变化,分析认为是形成非挥发性物质SiO_x。实验结果表明,苯基硅橡胶热控涂层材料具有优越的抗原子氧腐蚀能力,推测其机理是形成的SiO_x钝化层作为保护层对其下方的材料进行保护,阻止原子氧对材料进一步腐蚀。     

铌铪合金推力室身部表面高温防护涂层的工艺技术研究

铌铪合金具有较高的高温强度,是轨姿控液体火箭发动机推力室身部的主要结构材料,但在工作环境中易发生氧化“粉化”,必须在合金表面涂覆高温抗氧化涂层.本文主要研究了硅化物涂层对铌铪合金热防护行为,包括涂层的成型过程、高温抗氧化行为及高温抗热震行为等.试验结果为:涂层在1 700℃下的氧化寿命7 h,1 400～800℃的空冷热震循环次数4 700次,表面粗糙度30～60 μm.并对铌铪合金推力室身部涂层热试车情况进行了详细分析研究,对涂层在富氧高温燃气冲刷作用下的工作机理进行研究分析,总结了硅化物涂层的热防护机理,研究的新型硅化物涂层在高温条件下具有较好的性能.