原子氧与紫外综合辐照对Kapton/Al性能的影响

Kapton/Al薄膜二次表面镜是一种广泛应用的热控涂层,用于维持航天器表面正常的工作温度。本文利用激光源原子氧设备对Kapton/Al薄膜二次表面镜进行了原子氧与紫外综合辐照试验,试验前后通过高精度微量天平、扫描电镜、紫外-可见-近红外分光光度计及X射线光电子能谱仪等测试分析手段观察了材料质量损失、表面形貌、光学性能随辐照时间的演化规律,分析了试验前后Kapton/Al薄膜二次表面镜表面成份的变化。结果表明:Kapton/Al薄膜二次表面镜的质量损失随辐照时间的增加呈线性增大,原子氧与紫外综合辐照造成的质量损失明显高于单独原子氧作用产生的质量损失;试验后试样表面呈"地毯"状形貌,且随辐照时间的增加表面粗糙度变大;Kapton/Al薄膜二次表面镜的光谱反射系数随综合辐照时间的增加而降低,致使太阳吸收比的变化不断增大;试验后试样表面成份变化明显,说明原子氧和紫外环境与Kapton/Al薄膜二次表面镜表面发生了复杂的物理化学作用。     

Kapton/Al薄膜的电子辐照损伤

使用空间综合辐照设备对Kapton/Al薄膜进行了电子辐照的地面模拟实验,研究了Kapton薄膜的表面形貌、光学性能变化和辐照损伤机制.结果表明,辐照使Kapton薄膜表面发生了明显的充放电效应;在500-1000 nm波长区间光谱反射系数明显降低,太阳吸收比随着电子辐照剂量的增加而增高;在辐照过程中Kapton薄膜发生酰亚胺基团的破坏、羰基和桥氧键的断裂以及O在N 逸出空位处的替换,并有较复杂的新结构生成.     

射频源原子氧暴露对PET薄膜表面性能的影响

采用射频源原子氧装置对PET薄膜材料进行不同时间的暴露试验.研究了氧等离子体暴露对PET薄膜的质量损失、表面形貌、接触角的影响,并对暴露前后PET薄膜进行了红外光谱(FTIR)分析.结果表明,温度随暴露时间延长而升高,达到一定值后趋于平缓;随暴露时间延长PET薄膜的质量损失越来越大,表面形貌变得越来越粗糙,接触角先减小后增大.红外光谱分析表明,氧等离子体暴露后PET薄膜表而O-C=O、C-O等含氧基团的数量有所降低.这是由于原子氧暴露诱导的氧化和表面刻蚀.     

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.     

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.     

有机硅微胶囊-有机硅树脂复合涂层对空间 K apton的原子氧防护

将采用水相分离法制备的以明胶为囊壁、有机硅为囊芯的微胶囊与有机硅树脂乳液在一定条件下混合,在聚酰亚胺薄膜(Kapton)基材表面制备出含有机硅树脂的微胶囊-有机硅复合涂层,并将所制备的涂层分别进行原子氧暴露试验。结果表明,原子氧对Kapton侵蚀严重,质量损失严重,由原来光滑平整的表面变为凹凸不平的地毯状,太阳光吸收率变化值Δα为0. 272。微胶囊2有机硅复合涂层对Kapton基体优良的保护作用,使试样的质量损失和剥蚀率明显下降,且Δα仅为 0.071。尤其是微胶囊与有机硅质量比为1∶5的涂层,质量损失为Kapton试样的2.3%。     

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     

反应磁控溅射制备的SiO2防护涂层抗原子氧侵蚀性能研究

在原子氧侵蚀地面模拟设备中对Kapton和利用反应磁控溅射制备的SiO2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；SiO2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，反应溅射的SiO2涂层是富Si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．SiO2涂层在原子氧暴露后涂层的太阳吸收率、辐射率和反射系数均没有发生明显的变化．SiO2涂层较脆，易产生裂纹，原子氧会通过缺陷位侵蚀下面的基体材料，严重影响飞行任务的正常进行。     

原子氧处理对氧化锌薄膜的结构及光学特性的影响

本文采用脉冲激光沉积方法在Al2O3(0001)基底上,500℃的衬底温度条件下,制备出了具有高度C轴择优取向的氧化锌薄膜.用自行研制的同轴源型原子氧地面模拟装置,以1.62×1016AO·cm-2·s-1的原子氧束流强度(氧原子能量约5ev)对制备的薄膜进行了不同时间(30、60、90和120min)的处理.通过X射线衍射(XRD)、透射光谱和拉曼光谱等分析手段对原子氧处理前后薄膜的结构及光学特性进行了分析.氧化锌薄膜的结晶质量随原子氧作用时间增加而显著变好,晶粒尺寸呈变大趋势,缺陷浓度明显降低;氧化锌薄膜的禁带宽度随原子氧作用时间增加而变小.采用本方法处理的氧化锌薄膜,可用于制备高性能的氧化锌基光电器件.     

空间辐射与原子氧环境对导电型热控薄膜性能影响

对研制的导电型柔性(Kapton基)热控薄膜光、电、热性能及在空间环境辐照与原子氧环境作用下的稳定性作了探讨.研究表明,低面电阻值TO膜的稳定性明显优于高面电阻值TO膜,Ge/Kapton膜的面电阻与高面电阻值TO膜相当(107～109Ω/□),但稳定性明显优于高面电阻值TO膜,环境作用对导电型热控薄膜的太阳吸收率αs、热发射率ε的影响不大.     

Investigation of Surface Reaction and Degradation Mechanism of Kapton during Atomic Oxygen Exposure

The erosion behavior of Kapton when exposed to atomic oxygen (AO) environment in the ground-based simulation facility was studied. The chemical and physical changes of sample surfaces after exposed to AO fluxes were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The results indicated that Kapton underwent dramatically degradation, including much mass loss and change of surface morphologies; vacuum outgassing effect of Kapton was the key factor for initial mass loss in the course of atomic oxygen beam exposures. XPS analysis showed that the carbonyl group in Kapton reacted with oxygen atoms to generate CO2, then CO2 desorbed from Kapton surface. In addition, PMDA in the polyimide structure degraded due to the reaction with atomic oxygen of 5 eV.     

Investigation on sol–gel boehmite-AlOOH films on Kapton and their erosion resistance to atomic oxygen

To improve the atomic oxygen (AO) erosion resistance of Kapton, boehmite-AlOOH films were deposited on it by sol–gel method and AO exposure experiments were performed in a ground-based AO simulator. The results indicate that the AlOOH-coated samples show an improved AO resistance and their erosion yield is one order of magnitude less than that of pristine Kapton. Furthermore, the AlOOH-coated Kapton remained optically stable under AO exposure. The AlOOH film structure before and after AO exposure was analyzed by scanning electronic microscope, atomic force microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and X-ray diffraction. It was found that after AO exposure, the film structure tends to transfer from an octahedral coordination for AlOOH to an octahedral and tetrahedral mixed-coordination for γ-Al₂O₃. This implies that a more stable γ-Al₂O₃ structure could be formed in AlOOH film during AO exposure. The AO erosion mechanism of the coated Kapton was discussed.     

Perhydropolysilazane derived silica coating protecting Kapton from atomic oxygen attack

By using surface sol-gel method with perhydropolysilazane (PHPS) as a precursor, a silica coating was prepared on a Kapton substrate as an atomic oxygen (AO) protective coating. The AO exposure tests were conducted in a ground-based simulator. It is found that the erosion yield of Kapton decreases by about three orders of magnitude after the superficial application of the coating. After AO exposure, the surface of the coating is smooth and uniform, no surface shrinkage induced cracks or undercutting erosion are observed. This is because that during AO exposure the PHPS is oxidized directly to form SiO₂ without through intermediate reaction processes, the surface shrinkage and cracking tendency are prohibited. Meanwhile, this PHPS derived silica coating also presents self-healing effect due to the oxidation of free Si. Compared with other kinds of silica or organic polymer coatings, this PHPS derived silica coating exhibits a superior AO erosion resistance.     

铝膜反射镜空间环境适应性研究

铝膜反射镜是反射式空间聚光太阳电池阵的重要组成部分。通过对铝膜反射镜电子、质子、紫外、原子氧环境等一系列辐照及环境试验,研究和考察了铝膜反射镜反射率的变化和空间环境适应性。研究结果表明,铝膜反射镜适应地球同步轨道环境条件下,反射镜平均反射率在15年寿命末期大于75%;在低地球轨道环境中有必要对铝膜反射镜进行抗原子氧侵蚀防护。     

磁控溅射法制备的CdS:Al薄膜的性质研究

采用Al和CdS双靶共溅射的方法, 调控Al和CdS源的沉积速率, 制备出不同Al掺杂浓度的CdS:Al薄膜。通过XRD、SEM、AFM、紫外-可见透射光谱分析、常温霍尔测试对CdS: Al薄膜的结构、形貌、光学和电学性质进行表征。XRD结果表明, 不同Al掺杂浓度的CdS:Al薄膜均为六方纤锌矿结构的多晶薄膜, 并且在(002)方向择优生长。SEM和AFM结果表明, CdS:Al薄膜的表面均匀致密, 表面粗糙度随着Al掺杂浓度的增加略有增加。紫外-可见透射光谱分析表明, CdS:Al薄膜禁带宽度在2.42~2.46 eV 之间, 随着Al掺杂浓度的增加而略微减小。常温霍尔测试结果证明, 掺Al对CdS薄膜的电学性质影响显著, 掺Al原子浓度3.8%以上的CdS薄膜, 载流子浓度增加了3个数量级, 电阻率下降了3个数量级。掺Al后的CdS薄膜n型更强, 有利于与CdTe形成更强的内建场, 从而提高太阳电池效率。用溅射方法制备的CdS:Al薄膜的性质适合用作CdTe薄膜太阳电池的窗口层。     

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。     

氨丙基倍半硅氧烷/有机硅杂化涂层抗原子氧侵蚀

为了提高航天器用有机硅涂层的抗原子氧侵蚀性能, 用氨丙基倍半硅氧烷交联固化环氧有机硅树脂, 在聚酰亚胺基材上制备出杂化涂层, 并对杂化涂层进行了地面原子氧暴露试验, 分析了试验前后杂化涂层表面形貌、 化学成分和化学结构的变化。结果表明, 氨丙基倍半硅氧烷阻止了有机硅涂层中微裂纹的产生, 避免了“淘蚀”现象, 材料质量损失明显下降。在原子氧暴露过程中, APOSS分子中的O和Si从低的结合能态慢慢向高的结合能态(氧化态)转变, 在表面生成了SiO₂保护层, 阻止了原子氧对底层材料的进一步侵蚀。