一种光聚合共混树脂抗原子氧侵蚀的机理

采用双酚A型环氧树脂E-44与有机硅环氧树脂ES-06的共混改性树脂体系进行紫外光辐照聚合,制备了光聚合含硅聚合物;使用原子氧效应地面模拟设备对光聚合含硅聚合物进行原子氧侵蚀试验,比较了试验前后试样的质量、表面形貌和成分的变化,研究了原子氧的侵蚀机理.结果表明,在紫外光辐照固化后改性树脂的表面形成一层含C的氧化硅(SiOx)膜,经原子氧暴露试验后进一步氧化转变为富含SiO2的保护膜,具有较好的耐原子氧性能.原子氧对含硅共混物的侵蚀是多种效应协同作用的结果,以发生化学反应为主,通过提氢,插入和置换等机理产生含碳挥发性物质和H2O等,导致聚合物的质量损失.生成的硅氧化物留在聚合物表面,能有效地阻止原子氧对基底聚合物材料的进一步侵蚀.     

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。     

原子氧对航天材料表面的作用与防护 Ⅱ.原子氧敏感材料的防护

综述了原子氧敏感的各种航天材料的防护途径与机理,对空间材料表面改性、空间薄膜以及涂层技术的应用及防护情况进行了讨论。     

耐原子氧聚酰亚胺材料的研究进展

自21世纪以来,航空航天方面的快速发展为人类日常通信、观察天文气相、探索宇宙等提供了重要的技术支持手段.其中,聚酰亚胺(PI)凭借其优异的耐高低温性能、力学性能、耐辐射性、电性能、耐溶剂性等成为不可或缺的航天器材料之一,且被广泛用作航天器的太阳电池阵列的柔性基板、多层热绝缘毯和电路系统的绝缘保护层.然而,航天器长期工作于低地球轨道,这一特殊环境中的原子氧(AO)具有高通量和强氧化性,它会快速侵蚀航天器表面的主要热控材料PI,使其光学、电学、力学等重要性能退化,从而导致航天器工作效率下降、使用寿命缩短、系统目标设计失败,严重阻碍航天事业的发展.多年来,针对上述问题,研究人员提出了多种解决办法并已取得较大进展.其中,在材料表面施加防护涂层已发展成为既能保护基材不受原子氧剥蚀、又能保持基底材料原有性能的方法,其适用于多种表面制作,工艺简单,应用广泛;而在耐原子氧聚酰亚胺新型材料方面,科研人员也克服困难,开发出性能更为优异、使用寿命更长的新材料.另外,由于特殊试验条件的限制,促使耐原子氧地面模拟实验发展迅猛,目前已提出多种模拟理论,并制造模拟器以辅助研究.本文对比了目前已商业化应用的聚酰亚胺材料的耐原子氧性能,介绍了耐原子氧的地面模拟试验方法的原理和分类,总结了耐原子氧聚酰亚胺材料的类别,包括防护涂层法和新型方法制备的耐原子氧聚酰亚胺材料,并对各种不同类型防护方法的优缺点进行了合理评判,指出耐原子氧聚酰亚胺材料的未来发展方向及应用前景.     

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．     

空间级硅橡胶涂层抗原子氧性能及评价机制

文中针对硅橡胶与原子氧的反应机理尚未完全掌握,其防护效果未完全明确的现状,开展原子氧效应地面模拟试验,进行硅橡胶涂层的抗原子氧性能的评价分析。经对试验前后的样品进行外观、质量损失、表观形貌、表面成分及光学性能的测试,系统评价了空间级硅橡胶的原子氧防护效果。在分别接受累积通量为4.9×10~(18) cm~(-2)和1.2×10~(21) cm~(-2)的原子氧暴露试验后,空间级硅橡胶涂层的质量损失并未随原子氧暴露时间延长和累计通量的增加而变大,但涂层表面的外观和光学性能发生了显著变化,经扫描电镜检测,涂层表面出现不同程度的开裂,经X射线光电子能谱仪分析,涂层表面生成了一层类似SiO_2的薄膜,该薄膜层能阻止原子氧与硅橡胶涂层的反应从而对基底材料形成保护,但为了进一步提高其抗原子氧侵蚀能力,需对涂层进行补强改性,并且采用测量质量损失的手段来评判硅橡胶类材料受原子氧侵蚀程度的方法不甚科学。     

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。     

防护玻璃复合层表面改性及其性能

本文对防护玻璃复合层表面进行改性,通过抗弯强度、可见光透过率、粘结强度等性能表征研究了复合层材料表面强化改性对防护玻璃性能的影响。结果表明:表面强化后的无机玻璃抗弯强度增加,表面粗糙度变大,透光率降低;改性处理后的聚碳酸酯(PC)表面粗糙度增加,透光率下降;无机玻璃的表面强化、热塑性聚氨酯胶片(TPU)和PC的表面改性均有利于防护玻璃复合层间粘结强度的提升;此外,PC表面改性及胶片表面改性有助于防护玻璃耐热性能的提高;TPU胶片表面改性也有利于其抗紫外线性能的提升。     

空间环境防护型薄膜评述

空间环境的复杂性和特殊性对航天器的使用寿命和性能造成严重威胁。提高航天器表面材料抵抗空间环境作用的能力一直是空间技术开发工作的重点关注问题。目前,表面薄膜技术已被广泛应用在航天器热控涂层、光学器件等方面的空间防护。针对航天器在空间原子氧环境、空间等离子体环境、空间污染环境中的空间环境效应问题,详细介绍了相应空间环境防护薄膜的研究现状及主要制备方法。在地面空间模拟实验和飞行试验成果的基础上,对这些防护薄膜的空间环境适应性进行了分析,总结了空间环境防护薄膜应具备的综合性能,提出复杂型薄膜的开发和空间环境防护薄膜标准评价体系的建立是今后研究的重点。     

表面改性中稀土提高材料抗高温氧化及耐蚀性能的作用

稀土元素具有特殊的电子结构,对材料表面有着优异的改性潜力,在表面工程技术领域具有很好的应用前景.综述了稀土元素在化学热处理、激光熔覆、离子注入、真空等离子体镀膜、热喷涂等技术中对工艺过程的影响和提高材料表面改性层抗高温氧化和耐蚀性能的效果.稀土元素在改性层中的作用机理为:稀土元素的微合金化作用,改变了改性层中第二相或夹杂物的形态与性能,改性层组织细化和结构因素,是材料表面改性层抗高温氧化和耐蚀性能得到改善的主要原因.     

Graphene-reinforced epoxy resin with enhanced atomic oxygen erosion resistance

Atomic oxygen (AO) is a dominant component of the low earth orbit and can erode most spacecraft material. We demonstrated the application of graphene to enhance AO erosion resistance of spacecraft polymers. Graphene-reinforced epoxy resin nanocomposites were prepared by solidification of epoxy resin in solution with dispersed graphene flakes and their AO erosion resistance was investigated in a plasma-type ground-based AO effects simulation facility. The nanocomposites were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, thermogravimetric analysis, and X-ray photoelectron spectroscopy. Results based on erosion kinetics revealed that a 46 % decrease in mass loss and a 47 % decrease in erosion yield were achieved by addition of only 0.5 wt% of graphene. Further analysis of the surface morphology and composition showed that the graphene nanoflakes could serve as barriers to protect underneath from AO erosion. Thus, this approach provides a novel route for improving durability and reliability of spacecraft material, especially polymers.     

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.     

C/C复合材料在原子氧辐照下的结构性能演变

通过分析失重率、显微形貌变化讨论了原子氧辐照对C/C复合材料以及SiC基体改性C/C复合材料(C/C-SiC)的损伤机制; 并通过热膨胀系数(CTE)、热扩散率(TD)以及弯曲强度等性能的变化, 进一步讨论了原子氧辐照损伤对材料热物理及力学性能影响。结果表明, C/C复合材料受原子氧辐照损伤是物理化学综合作用, 属于冲击诱发-增强表面化学刻蚀; SiC组元表现出良好的抗原子氧侵蚀性能, 阻碍了原子氧向材料内部侵蚀, 但是SiC组元在更长时间辐照后出现机械破损; C/C复合材料在原子氧辐照下失重率呈线性增加, 而C/C-SiC复合材料失重率小于C/C复合材料且增长幅度越来越小; C/C复合材料和C/C-SiC复合材料的整体结构性能在辐照损伤后发生了一定变化。     

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%。     

七孔涤纶纤维对CPE-AO2246微观结构和性能的影响

利用氯化聚乙烯(CPE)、 2, 2-亚甲基-双( 4-甲基-6-叔丁基苯酚) (AO2246)和三维卷曲七孔中空涤纶纤维(SHPF)制备了一系列的SHPF/CPE-AO2246三元复合材料。通过DMA、 SEM、 SW230吸声仪以及HD026NE电子织物强力仪等对复合材料的微观结构和性能进行了测试及分析。结果表明, 加入的SHPF纤维充当了结晶诱导作用, 在复合材料中产生了大量AO2246的包覆式结晶, 从而加速了网络结构的形成; 含有20%质量比(以CPE和AO2246总质量为基)纤维的SHPF/CPE-AO2246复合材料的最大储能模量是未加纤维的3倍多, 由于复合材料的储能模量增幅较大而使其损耗因子下降较快, 但材料损耗模量-温度曲线下的面积(LA)随纤维含量增加而增大, 说明材料的阻尼耗能能力并未下降; SHPF纤维的加入使材料的力学性能获得了较大的改善, 中空网络结构的形成赋予三元复合材料吸声性能。     

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.     

Degradation behaviour of a composite material for thermal protection systemsPart II Process simulation

Mass and energy balance equations have been solved in order to simulate the behavior of a silicon-based ablative composite used as a thermal protection shield for a non-animated space capsule. A method to calculate some of the parameters in the energy balance equation, is proposed, taking advantage of combined thermal analysis techniques. Furthermore, degradation kinetics in the hypothesis of constant volume is used to solve the mass balance. The results of the computer simulation are compared with the experimental data, obtained using plasma arc testing. The model can be used for both material selection and thickness calculation for thermal protection shields. © 1998 Kluwer Academic Publishers     

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。     

面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构研究进展与挑战EI北大核心CSCD

高超声速飞行器技术是航空航天领域发展的重要方向,对国防安全起着重要作用。高超声速飞行器能在极端环境中安全服役的关键在于飞行器的热防护材料与结构。一方面,热防护材料与结构必须能够经受恶劣的气动热环境;另一方面,热防护材料与结构还要在承载的同时尽可能降低质量以提高飞行器有效载荷。因此,需要研发兼具耐高温、轻量化、承载特性的热防护结构。本文首先综述了C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构及其制造方法,对其在室温、高温环境下的力学行为与传热行为的研究现状进行了总结,并具体讨论了基于C/SiC陶瓷基复合材料轻量化点阵结构的耐高温、轻量化、承载、一体化热防护结构研究进展情况。最后,在新设计理论与方法、新制造技术、服役特性、多功能一体化设计与实现四个方面对面向一体化热防护的陶瓷基复合材料轻量化结构的研究挑战进行了展望。本文为高超声速飞行器新型热防护结构的发展提供一定借鉴与思考。     

空间用油脂材料原位质损测试及出气成分分析方法

QCM（QuartzCrystal Microbalance）作为一种新型的高灵敏度质量传感器,具有测量精度高、稳定性好、体积小和工作温度范围广等优点,被用来监测微小质量的变化。针对QCM的原理,提出了将空间用油脂材料包裹在QCM电极上,在空间材料出气成分分析设备中原位监测材料的质损和出气成分的方法,并对实验方法进行了验证。