原子氧作用下导电黑膜性能退化研究

原子氧环境是影响低地球轨道(LEO)航天器材料性能的主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对材料造成危害。镀膜型导电黑色聚酰亚胺薄膜(简称导电黑膜)具有良好的消杂光和防静电特性,是常用的卫星天线和整星表面的防护材料。本文通过开展国外替代产品导电黑膜原子氧模拟实验,研究原子氧作用下导电黑膜的性能退化。初步探索了我国导电黑膜低轨原子氧环境适应性,为我国导电黑膜低地球轨道应用提供建议。     

原子氧防护涂层技术研究

原子氧是低地球轨道主要的残余气体粒子,其化学性质非常活泼,是极强的氧化剂,会对空间材料的性能产生严重的影响。介绍了低地球轨道的原子氧环境及原子氧防护方法;对有机、无机和复合原子氧防护涂层的优缺点、研究进展情况以及空间应用情况进行了详尽的阐述;最后分析了原子氧防护的发展方向。     

真空蒸镀铝及保护膜的表面形貌和光学性能研究

采用工业化生产流水线的真空蒸发镀膜工艺制备一系列太阳能利用铝反射镜,研究了基底材料对铝反射镜反射率的影响,利用理论分析结合试验,探讨了基底材料表面面型及微观粗糙度对真空蒸镀铝膜反射的影响。光学反射率测量显示不同基底材料的平面铝反射镜的反射率存在较大的差异,其中在ABS工程塑料上制备的铝反射膜的光学均匀性较理想,研究成果为实现低成本轻型铝太阳能反射镜的大规模生产提供了借鉴。     

低能粒子辐照对铝膜反射镜光学性能的影响

地面模拟研究了低能质子和电子对铝膜反射镜光学性能的影响。结果表明,低能质子辐照后,在200~800nm波长范围内铝膜反射镜反射率随辐照剂量增加而下降。质子辐照能量越低射程越短,则反射镜表面膜层中质子浓度越大损伤也更为明显。电子辐照射程较深,辐照作用对铝膜反射镜光学性能影响很小。     

铝膜紫外反射镜的高频等离子体阳极氧化技术

用高频等离子体阳极氧化技术，对铝膜紫外反射镜进行阳极氧化，得到紫外波段的反射率为６６％和９３％，它比单一的真空氧化铝膜的反射性能要好。在高频等离子体的阳极氧化中，尤以浮动氧化的反射性能更好（Ｒ＝９３％）．铝膜的紫外反射率和俄歇电子谱表明，氧的暴露量控制１００～２００Ｌ之间，能在铝膜外表面生长一层２２～３５ｕｍ的氧化铝保护膜，既能保持优异的反射特性，又有良好的抗腐蚀能力，是一种性能优越的紫外反射镜。     

原子氧对航天材料表面的作用与防护 I原子氧与航天材料的作用

综述了低地球轨道环境下原子氧与航天材料的相互作用及其机制，介绍了原子氧敏感性材料以及它们在低地球轨道环境下的降解情况。     

空间材料的原子氧侵蚀理论和预测模型

低地轨道环境中的原子氧对航天器材料的侵蚀导致材料的性能变坏甚至失效，原子氧的侵蚀机理和防护技术是当前空间环境效应研究的热点．在对原子氧效应机理已有理解的基础上，准确预测空间材料在低地轨道环境中由原子氧引起的侵蚀效应，可对设计者在工程选材和飞行器设计提供帮助。本文综述了近年来发展的原子氧与空间材料相互作用的理论模型和侵蚀速率预测模型，并对各种模型进行了分析，也指出了关于原子氧效应的研究重点．     

航天器表面材料原子氧防护方法

原子氧是200~700 km低地球轨道残余大气的主要成分。原子氧具有极强的氧化性,表面材料被原子氧剥蚀而失效是低轨道航天器面临的主要环境威胁之一。空间飞行试验结果表明,几乎所有的有机材料都会被原子氧剥蚀。原子氧防护技术是保证材料或器件在轨性能和寿命的重要手段,不同特征的表面材料需要采用不同的原子氧防护方法。介绍了太阳电池阵材料、热控材料、光学材料等典型材料的原子防护方法,并对硅氧烷防护涂层进行原子氧试验验证。     

原子氧辐照环境下二硫化钼润滑薄膜失效机理研究获进展

<正>低地球轨道距地面200~700km,是对地观测卫星、气象卫星、空间站等航天器运行区域,在此区间内大多数空间飞行器运动部件选用固体润滑材料,其中二硫化钼(MoS2)使用最为广泛。在低地球轨道内,大气残余气体中氧分子在紫外光作用下发生光致解离,产生原子态氧并长时间在轨稳定存在,原子氧与轨道内高速飞行航天器碰撞时能量为5.3eV,这种高速碰撞氧化对材料侵蚀作用非常严重,因此,原子氧辐照被认为是低地球轨道航天器表面最危险的环境因素。     

原子氧/紫外综合环境模拟实验与防护技术

北京卫星环境工程研究所研制的一台原子氧/紫外综合环境模拟设备。该设备采用了微波电子回旋共振和固体靶电荷交换中性化技术。可以产生通量密度为3×1015cm2.s,能量5 eV的中性原子氧束流。两盏30 W氘灯模拟太阳紫外光,波长范围为115 nm~400 nm。这台设备配备了样品光谱反射率原位测量系统。在这台设备上,进行温控白漆、TO/Kapton膜(聚酰亚胺镀氧化锡膜)、Ge/Kapton膜(聚酰亚胺镀锗膜)的原子氧环境、原子氧/紫外综合环境暴露试验。并进行了原子氧防护技术的研究,获得了初步的研究结果     

激光源原子氧对Kapton薄膜和Kapton／Al薄膜二次表面镜性能的影响

在模拟空间环境原子氧暴露条件下,采用激光源原子氧对热控涂层材料Kapton薄膜、Kapton/Al薄膜二次表面镜进行了不同剂量的暴露试验。研究了这两种材料的质量损失、表面形貌随原子氧暴露剂量的变化关系,以及Kapton薄膜的光谱透过率、Kapton/Al薄膜二次表面镜的光谱反射率和太阳吸收比Δαs随原子氧暴露剂量的演化规律。结果表明:两种材料的质量损失随原子氧暴露剂量的增加呈线性增大;原子氧暴露后,试样表面呈"地毯"状形貌,且随暴露剂量的增加粗糙度变大;Kapton薄膜的光谱透过率、Kapton/Al薄膜二次表面镜的光谱反射率随原子氧暴露剂量的增加而降低,Kapton/Al薄膜二次表面镜的太阳吸收比Δαs随暴露剂量的增加而增大。最后对Kapton薄膜的存在寿命和Kapton/Al薄膜二次表面镜绝热平面的平衡温度进行了预测。     

热循环、真空紫外辐照对Al/Kapton薄膜的损伤效应

在空间环境地面模拟设备中模拟热循环、真空紫外辐照等低地球轨道空间环境对Al/Kapton薄膜的损伤效应.利用原子力显微镜、紫外可见分光光度计对试验前后试样的表面形貌、光学参数等性能进行了分析.结果表明,热循环、真空紫外辐照使Al/Kapton薄膜试样产生质量损失,表面形貌发生不同程度的改变,在紫外可见波段的反射率下降明显.     

原子氧环境中聚酰亚胺的质量变化和侵蚀机制

用石英晶体微天平(QCM)原位监测并研究了聚酰亚胺薄膜在地面原子氧模拟装置中暴露时的质量变化.结果表明,聚酰亚胺薄膜在较低的原子氧束流通量暴露的初期,试样的质量先增加后降低,质量的降低与暴露的时间成正比.在高原子氧束流通量暴露的初期,试样质量的增加不明显,甚至一开始就发生稳态氧化失重.实验数据拟合的结果表明,原子氧对聚合物造成的侵蚀主要发生在有氧原子吸附的表面.质量的增加是由于较低的原子氧通量没有能完全氧化聚合物的表面.原子氧对聚合物材料的侵蚀机制服从Langmuir吸附理论.     

Advances in Polyimide‐Based Materials for Space Applications

The space environment raises many challenges for new materials development and ground characterization. These environmental hazards in space include solar radiation, energetic particles, vacuum, micrometeoroids and debris, and space plasma. In low Earth orbits, there is also a significant concentration of highly reactive atomic oxygen (AO). This Progress Report focuses on the development of space‐durable polyimide (PI)‐based materials and nanocomposites and their testing under simulated space environment. Commercial PIs suffer from AO‐induced erosion and surface electric charging. Modified PIs and PI‐based nanocomposites are developed and tested to resist degradation in space. The durability of PIs in AO is successfully increased by addition of polyhedral oligomeric silsesquioxane. Conductive materials are prepared based on composites of PI and either carbon nanotube (CNT) sheets or 3D‐graphene structures. 3D PI structures, which can expand PI space applications, made by either additive manufacturing (AM) or thermoforming, are presented. The selection of AM‐processable engineering polymers in general, and PIs in particular, is relatively limited. Here, innovative preliminary results of a PI‐based material processed by the PolyJet technology are presented.     

模拟空间原子氧对Teflon FEP/Al薄膜性能的影响

在模拟空间环境原子氧辐照的条件下,采用固定的原子氧束流密度进行不同时间的辐照试验,研究了温控材料Teflon FEP/Al薄膜的质量损失、光学性能、表面形貌和表面粗糙度的演化规律.结果表明,材料的质量损失与原子氧的作用时间成正比.辐照前后材料的表面形貌和表面粗糙度发生明显变化,致使太阳吸收率发生明显变化,从而导致材料的光学性能发生变化.     

聚合物材料表面原子氧防护技术的研究进展

聚合物材料具有质量轻、强度高等优点, 常被用作航天器表面的复合结构基材。原子氧是低地球轨道空间中成分含量最高的粒子之一, 对暴露在航天器表面的聚合物材料易形成大通量、高能量轰击, 造成其表面氧化侵蚀和质量损失, 使聚合物材料的性能发生不同程度的衰退, 也是导致航天器件可靠性降低、工作寿命缩短的主要环境因素。本文对当前国内外通用的几种聚合物材料表面原子氧防护技术进行了整理归纳, 其中表面化学改性方法结合了体材改性和常用防护涂层的优点, 得到的有机/无机复合改性防护层具有较好的综合防护性能。文中分析了近年来由计算模拟法开展原子氧与表面防护材料相关作用机理的研究, 指出采用计算模拟结合试验的研究方法, 有可能从本质上揭示复合改性层与原子氧的作用机理, 从而促进原子氧防护材料与防护技术的研究发展。     

Atomic oxygen resistant phosphorus-containing polyimides for LEO environment

In this study, a series of polyimides had been prepared from bis-(4-aminophenoxyl) phenoxyl phosphine oxide (p-DAPO₄) with corresponding dianhydrides via two-stage polycondensation method. The inherent viscosities of the polyamide acid were in range of 0.43–0.92 dL/g, and atomic oxygen (AO) exposure experiment was conducted in a ground-based atomic oxygen effects simulation facility with the filament charge and bound of magnetic field to determine the AO erosion-resistant properties of the polyimide films. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), attenuated total-reflection Fourier transform infrared spectrometer and X-ray photoelectron spectrometer were employed to characterize the change on the surface of films after AO exposure, and the mass loss of some phosphorus-containing polyimide films reduced to about 20% that of Kapton^? HN film as AO fluence of 4.14 × 10²⁰ atoms/cm². The morphologies of heave residues of the polyimide films acting as a barrier to further erosion could be obtained from FE-SEM. The results indicated that a phosphate-type layer was left on the surface of phosphorus-containing polyimide films after AO exposure.     

氧化铟锡(ITO)薄膜的透明吸波特性研究

利用直流磁控溅射技术室温下在柔性聚酯薄膜衬底上制备了ITO薄膜,将ITO薄膜与有机玻璃和空白聚酯薄膜等介质材料组合成复合结构,最终得到吸波能力较强的透明吸波体.该吸波体在Ku带(12～18GHz)范围波段衰减低于-10dB,峰值超过-20dB,且在可见光区透光率达到68%.     

(3-Glycidoxypropyl)-terminated silsesquioxane impact on nanomechanical properties of polyimide coatings exposed to atomic oxygen

Based on (3-glycidoxypropyl)silsesquioxane (GSSO) derived from the hydrolytic condensation of (3-glycidoxypropyl)trimethoxysilane (GPMS), GSSO-containing polyimide hybrid films were prepared using the sol-gel process and spin coating. Nanoindentation tests were carried out to study the influence of GPMS in the hybrid films on nanomechanical properties before and after exposure to atomic oxygen (AO) environments. The results show that hybrid films are three to four times harder than the usual plastic substrates. Compared with the unexposed AO samples, the elastic modulus (E) and the hardness (H) of the pristine Kapton AO-exposed samples significantly decreased, whereas the hardness of AO-exposed hybrid films increased slightly. This difference in nanomechanical properties is attributed to the chemical and the microstructural sample changes.     

Interference Effects in Time-resolved Reflectivity Measurements in Thin Semiconductor Films

The study of non-equilibrium charge carriers in semiconductor films by time-resolved reflectivity measurements is greatly simplified if the change in reflectivity change varies linearly with the photoinduced change in refractive index. In the present work it is shown that interference effects in the transparent layer influence this dependence significantly. The sample reflectivity can either increase or decrease, depending on the film thickness. If the reciprocal absorption coefficient of the semiconductor is smaller than the film thickness, a refractive index profile is created inside the layer. The reflection at this profile diminishes the influence of the beams reflected at the semiconductor-substrate interface. The changes in reflectivity then vary linearly with the changes in refractive index, independently of the film thickness. Numerical calculations were performed to help interpret time-resolved reflectivity measurements on amorphous silicon films.