论文摘要
距地球表面200700km的低地球轨道是航天飞机、空间站以及一些卫星的主要运行轨道。原子氧是低地球轨道氧化能力强,对航天器影响最为严重的因素之一,它能使航天器零部件性能衰减而导致服役失败,尤其是应用于热控涂层、太阳能电池帆板中的聚合物及其复合材料对原子氧特别敏感。本文针对如何提高聚合物Kapton表面抗原子氧侵蚀的性能,从性能评价设备的研制、聚合物表面等离子体注入鞘层动力学、防护涂层制备和原子氧侵蚀机理等方面展开研究,以提高卫星、空间站等航天器的在轨服役寿命。基于加速暴露试验的思路和电感耦合射频放电技术,研制了原子氧辐照地面模拟器。该模拟器可获得纯净的高密度氧等离子体,进行长时间持续辐照,且等效原子氧束流密度可连续调节。当射频功率为400W时,获得高达1016 atom/cm2·s的等效原子氧束流密度,相对低地球轨道的原子氧束流密度其加速暴露能力约为100倍。聚合物Kapton材料的质量损失随辐照时间的增加呈线性增加的趋势,其侵蚀表面的凹坑密度呈下降趋势。基于NASA长期飞行试验数据及其对原子氧与Kapton材料作用提出的假设,将原子氧侵蚀视为粒子输运过程,采用Monte Carlo模型,利用Visual C++编程进行了数值仿真,研究了原子氧环境及掺杂对侵蚀效应的影响和裂纹间侵蚀过程中的交互作用。低能量原子氧模拟器辐照所产生侵蚀腔体的深度较小而宽度较大。离子注入掺杂可以有效地提高Kapton表面抗原子氧侵蚀的性能。为进一步提高改性层的抗原子氧侵蚀性能,需要采用等离子体注入/沉积或复合膜层方法降低改性层中有机成分或碳的含量,同时提高膜层的致密度,降低膜层与原子氧反应的系数。裂纹所产生的原子氧侵蚀效应是巨大的,特别是膜层表面存在大量裂纹时,由于裂纹间原子氧侵蚀的交互作用,裂纹的危害性更强。当ANI发生转变时,原子氧侵蚀腔体底部出现“山丘”形貌,其倾斜度随原子氧攻角的增大而增大。相邻宽度大小不等的裂纹间原子氧侵蚀过程中存在交互作用,出现具有台阶的侵蚀腔体。由于聚合物导电性能较差以及表面电荷积聚所产生的电容效应致使其表面电位衰减,采用等离子体浸没离子注入对其表面改性,是非常困难的。利用等离子体动力学粒子模型,实时跟踪离子在等离子体鞘层中的运动形态及特性并进行统计分析。研究表明对于较薄的聚合物膜,电容效应影响较小,离子注入能量较高。而对于厚大聚合物材料,为消除电荷积聚、打火及施加偏压难的问题,栅网辅助等离子体浸没离子注入是非常理想的方法。研究了辅助栅网对二次电子发射的抑制作用和离子注入动力学行为。离子注入聚合物表面,其表面电位降低,在栅网与聚合物表面形成电场并抑制二次电子的发射。栅网对二次电子发射的抑制能力,随栅网间隙率的减小和高度的增加而增强。通过栅网上方鞘层内电场的加速作用,离子由栅网间隙穿过并以较高的能量注入聚合物表面。辅助栅网产生的阴影效应致使离子注入剂量不均,阴影效应可通过缩短脉宽,适当增大栅网的高度和间隙率来减弱。高能离子的注入在膜基界面处形成混合层,有利于提高膜基结合力和抵抗裂纹萌生和扩展的能力,但太高的注入能量使聚合物基体的光学透过率降低,吸收系数升高。射频辅助成膜有利于提高膜层的膜基结合力和改善光学性能。选择10kV负脉冲偏压和辅助射频功率200W的参数,通过铝/硅等离子体的注入/沉积制备了氧化铝/氧化硅复合涂层。该复合涂层具有良好的膜基结合力和抗裂纹萌生和扩展的能力,氧化硅膜的增透作用和硅等离子体的再注入作用Al2O3·SiO2新相形成,改善了氧化铝涂层的光学性能。原子氧辐照结果表明,复合涂层防护试样的质量损失不及Kapton基体质量损失的1/20,且光学性能稳定、表面仍较平整,表明等离子体注入/沉积技术可在热控涂层材料Kapton表面制备抗原子氧侵蚀性能优越的防护涂层。膜基界面的状态对膜基结合力尤为重要。采用X射线光电子能谱对原子氧侵蚀前后的氧化铝/氧化硅复合涂层进行了逐层剖析,重点研究了氧化硅与氧化铝和氧化铝与聚合物过渡区元素的结合状态。在氧化铝与聚合物和氧化硅与氧化铝交界面处分别形成了Al-O-C和Si-O-Al键,提高了膜基与膜层间的结合力。复合涂层中有机成分夹杂与原子氧反应生成易挥发的物质,形成缺陷为原子氧的侵蚀提供了条件。基于复合涂层原子氧的侵蚀行为,分析了原子氧侵蚀过程,主要包括原子氧与聚合物基体和有机成分夹杂及涂层的往复碰撞、原子氧吸附和向聚合物基体表面的扩散、原子氧与聚合物中的元素反应生成气体小分子并在聚合物表面下积聚形成气泡、气泡破裂气体溢出发生质量损失并反作用于防护涂层的复杂作用过程。
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