含磷聚酰亚胺薄膜在原子氧环境中的降解研究

文章考察了自行合成的含磷聚酰亚胺（PI）薄膜在模拟原子氧环境中的降解行为。扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等测试结果表明:在原子氧辐照过程中,含磷PI薄膜表面的磷元素与氧元素含量增加,原子结合能也增大,意味着在PI表面形成了含磷钝化层。该钝化层进一步阻止了PI次表面层被侵蚀,使含磷PI薄膜表现出了抗原子氧侵蚀能力,其在模拟原子氧环境中的质量损失率远低于Kapton薄膜。     

三硅醇苯基POSS复合聚酰亚胺薄膜的制备与抗原子氧侵蚀性能研究

低地球轨道上运行的航天器表面材料尤其是聚合物材料极易受到原子氧侵蚀。以三硅醇苯基笼型聚倍半硅氧烷（TSP-POSS）为填料,以PMDA-ODA型聚酰亚胺（PI）为基体,通过机械共混法制备一系列复合薄膜,系统研究TSP-POSS的引入对复合薄膜耐热性能、光学性能以及抗原子氧侵蚀性能的影响。结果表明：TSP-POSS与PMDA-ODA型聚酰胺酸（PAA）具有良好的相容性,复合溶液均匀,储存稳定性优良;PAA/TSP-POSS复合溶液热酰亚胺化后形成的PI/TSP-POSS复合薄膜在TSP-POSS含量（质量分数）低于25%时可保持良好的均匀性;TSP-POSS的加入可在一定程度上提高复合薄膜的光学透明性,且对复合薄膜耐热性能的影响较小;引入TSP-POSS可以显著提高PMDA-ODA薄膜的抗原子氧性能,经受累积注量达4.02×1020 atoms/cm2的原子氧侵蚀后,TSP-POSS含量为25%的复合薄膜的原子氧剥蚀率为2.2×10-25 cm3/atom,仅为不含TSP-POSS薄膜的7.33%。     

氧化锌半导体薄膜在原子氧探测中的应用

氧化锌半导体薄膜是用于空间原子氧探测的一种敏感材料。采用脉冲激光沉积方法（PLD）在（001）取向的蓝宝石基底上制备出了高质量的氧化锌薄膜,并在地面原子氧模拟设备中考察了其原子氧敏感特性。结果表明,氧化锌薄膜对原子氧有较好的敏感特性,并且在受热后导电性能可以恢复,满足重复探测的要求。     

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。     

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。     

一种原子氧掏蚀模型参数的校正方法

在空间原子氧效应数值模拟研究中,确定掏蚀模型各参数是保证计算结果正确性的重要工作。文章对Banks原子氧掏蚀模型的各参数的作用进行了分析,基于掏蚀过程中的相似律分析给出了数值模拟和试验数据相结合以确定该模型参数的方法。文章还提出材料的原子氧理论侵蚀当量的概念,并使用数值模拟方法与试验数据计算了一种碳纤维环氧复合材料的原子氧理论侵蚀当量。应用该特征量可以建立数值模拟结果和试验结果之间的准确关系。     

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。     

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。     

固体材料的空间环境摩擦试验

为了开展在模拟空间环境下材料摩擦学性能的研究,利用自行研制的空间环境摩擦试验装置,进行了几种固体材料在超高真空、交变温度和辐照（原子氧、紫外）等环境下的摩擦试验。试验结果表明:与大气环境下相比,PTFE、PI、MoS₂/PI粘结涂层和离子镀Ag薄膜在≤5×10-4 Pa真空环境中的摩擦系数发生了明显变化;高低温对离子镀Ag薄膜在真空中的摩擦系数有显著影响,而对溅射MoS₂薄膜的摩擦系数影响不明显;原子氧和紫外辐照导致PI、Kapton、PTFE和MoS2/PI粘结涂层等的真空摩擦系数显著改变。     

硅氧烷原子氧防护膜工艺及防护性能研究

原子氧是对低地球轨道航天器构成重要影响的空间环境因素之一,严重影响着航天器在轨的安全运行。文章重点介绍了制备工艺对六甲基二硅氧烷原子氧防护膜结构及性能的影响,分析了防护膜的聚合原理,并对其结构、成分进行了测试分析,从而获得了防护膜的工艺参数。最后对防护膜进行了原子氧辐照实验与测试,结果表明采用等离子体聚合方法制备的原子氧防护膜具有很好的耐原子氧性能。     

NiCrBSi+Ni/MoS_2涂层在空间环境下的摩擦学性能

采用激光熔覆技术在TC4合金基体上制备了Ni Cr BSi+Ni/Mo S2复合涂层,考察了该复合涂层在真空、原子氧辐照环境下的表面形貌及元素变化。利用真空摩擦磨损试验机分别完成了干摩擦条件下2种环境的摩擦磨损性能测试。结果表明:Ni Cr BSi+Ni/Mo S2复合涂层经过原子氧辐照后,有部分元素被氧化及化合物分解的现象,但并没有发生明显的材料性能改变以及润滑涂层的破坏。与TC4合金相比,2种环境下该复合涂层均具有良好的润滑减摩效果,证明Ni Cr BSi+Ni/Mo S2复合涂层具有一定的抗原子氧辐照的能力。     

低地球轨道原子氧?太阳远紫外协合效应地面试验条件探讨

低地球轨道航天器表面聚合物材料受中性大气原子氧和太阳远紫外辐照的同时作用,表现出不同于单一因素分别作用的协合效应。文章在总结现有地面试验设备参数和不足的基础上,分析原子氧注量、远紫外曝辐照度随在轨时间变化的计算方法和输入数据特性,并以正立方体卫星为例计算得到典型轨道不同太阳活动环境下迎风面和非迎风面的原子氧注量和远紫外曝辐照度,以及远紫外曝辐照度/原子氧注量之比（注量比）随在轨时间的变化后,提出将该注量比参数作为有关地面试验条件制定的依据之一,以提高航天器外露材料原子氧?远紫外协合效应地面试验模拟的有效性。     

基于碳纳米管气体传感器的空间原子氧实时探测技术探讨

空间原子氧环境是低地球轨道空间环境的重要组成之一,未来的原子氧探测技术要求探测载荷不仅在重量和功耗方面比现有技术大幅降低,而且在探测性能上要有极大的提升,特别是能实现原子氧通量的实时探测。文章在分析目前主要原子氧探测类型及其特点的基础上,提出一种基于碳纳米管气体传感器的原子氧探测技术。其探测仪器具有体积小、功耗低、灵敏度高、可实时探测、能长期连续工作、可重复使用等特点,是纳米传感器技术发展的重要方向。该技术一旦成功应用,有望快速提高我国在原子氧探测方面的技术水平。     

样品温度对原子氧环境下ITO/Kapton/Al涂层性能变化的影响

文章利用原子氧环境地面模拟设备对航天器用材料ITO/Kapton/Al开展了原子氧环境试验研究。研究中选择的原子氧积分通量为9.1×1019 atoms/cm2,试验真空度为10-2 Pa量级,样品温度分别选取为25℃、70℃、100℃、120℃和150℃,研究样品温度对原子氧环境模拟试验可能造成的影响。试验后利用高精度微量电子天平对样品进行了质量损失测试并计算了材料的反应率,利用TEMP 2000A便携热发射率测试仪和LPSR 300便携光谱太阳吸收率测试仪分别对样品的发射率和太阳吸收比进行了测试。通过试验及分析发现:ITO膜对基底材料的保护较好,材料在试验后质量损失较少,原子氧反应率较低;样品温度的变化对ITO/Kapton/Al材料的质量损失影响较小,但对材料的热物理性质影响较大。     

原子氧对航天器表面的剥蚀效应及其预报研究

文章论述了一个航天器表面原子氧通量和遭遇量预报模式的建立,并对影响航天器表面原子氧遭遇量的主要因素进行了讨论。最后用模式计算了2003～2006年间太阳同步轨道卫星表面原子氧遭遇量的情况。     

热循环对原子氧与树脂基复合材料 交互作用的影响

文章选取M40/DFA-1和M40/AG-80两种碳纤维增强树脂基复合材料,进行了热循环对原子氧与这两种材料交互作用影响的研究。原子氧反应率的计算和层间剪切性能测试的结果表明,一定温度区间一定次数的热循环使得材料与原子氧交互作用减弱。该研究应用X射线光电子能谱仪（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对样品表面成分和形貌进行了分析。根据分析结果,初步提出热循环对增强树脂基复合材料自身抗原子氧侵蚀能力的作用机理。     

低地球轨道空间环境下航天器表面原子氧通量密度和积分通量分布的数值模拟

基于蒙特卡罗方法和区域分解法,建立低地球轨道空间环境航天器表面原子氧通量密度和积分通量的数学模型。模型考虑了航天器表面几何构型、原子氧数密度和分析热运动、地球自转对航天器速度的影响以及轨道运行参数。通量密度分布的求解是通过其微分方程的对于独立变量分子运动速度和与表面速度矢量合成的积分得到,积分通量是通过沿轨道时间积分来实现。与此同时,得到了沿入射攻角变化原子氧分布的最大值和最小值。计算结果表明:通量分布伴随入射攻角增大而急剧下降,在迎风面达到最大值,背风面最小值。入射攻角是影响分布计算结果的重要因素。计算误差与NASA-LDEF飞行试验实验结果吻合较好。     

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。     

空间用长寿命自浮动电连接器原子氧侵蚀效应仿真研究

低地球轨道原子氧与航天器表面材料相互作用,可导致材料因氧化剥蚀而发生性能衰退。文章针对空间机械臂用某型长寿命自浮动电连接器,采用自主编写的计算软件,结合地面模拟试验获得的材料剥蚀率数据,对原子氧侵蚀效应进行仿真分析。仿真结果可直观显示电连接器表面各部分所受原子氧侵蚀的厚度分布。地面试验验证表明,经注量为7.83×1022 cm-2的原子氧辐照后,电连接器室温下绝缘电阻大于1×105 GΩ,满足技术要求。研究结果可为空间站用电连接器的设计和寿命预测提供参考。     

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。