碳膜原子氧传感器研制及地面性能测试

研制低地球轨道(LEO)原子氧(AO)探测器并且开展AO环境在轨监测对于LEO航天器设计及防护具有重要意义。基于电阻分析法的碳膜AO传感器因工作时间较长、响应线性度较好且无污染,在国内外得到较多应用。为优化AO在轨监测手段,设计了一种矩形碳膜AO传感器:采用阴极电弧放电工艺制备了厚约2.5μm的AO敏感碳膜;利用AO地面模拟设备,测试了传感器的性能,并表征了碳膜在AO作用前后的形貌。结果显示,传感器碳膜的初始电阻与AO试验过程中的实时测量电阻的比值R0/R与AO积分通量F具有较好的线性关系。根据测试结果推导,该传感器能探测的最大AO积分通量约为2.29×10^(21)atom·cm^(-2)。

航天器原子氧通量仿真软件AOFS的验证计算

仿真计算是获得航天器表面原子氧(AO)撞击通量分布情况的重要手段之一。文章首先介绍自主研发的适用于复杂构型航天器AO通量仿真计算的AOFS软件的基本特性;然后利用无遮挡、有遮挡以及多次反射等AO与航天器相互作用的典型测试算例对该软件性能进行验证,并与自由分子流理论解和SYSTEMA软件的计算结果进行对比分析。研究发现:对于无遮挡和有遮挡算例,采用反向射线追踪方法的SYSTEMA软件比AOFS软件具有更好的算法稳定性;而对于多次反射算例,AOFS软件结果和SYSTEMA软件结果差别较大。以上结果可为后续复杂构型航天器AO通量计算软件的研制及验证提供参考依据。

聚酰亚胺材料的抗原子氧防护技术研究进展

低地球轨道环境中的原子氧具有高通量和强氧化性,会快速侵蚀航天器表面的聚酰亚胺材料,造成材料严重失效。针对聚酰亚胺材料抵抗原子氧侵蚀能力不足的问题,国内外研究人员积极探索,已提出多种抗原子氧防护技术,这些技术方案可分为包覆法、基体调控和外加涂层防护三个方面。此外,本文还整理了计算模拟探究抗原子氧防护效果的主要策略,指出计算与实验相结合有助于提高材料模型的准确性以及对抵抗原子氧侵蚀效果的预测能力。本文结合航天工程的实际应用,合理分析这三类防护措施的优势与不足,系统总结出不同聚酰亚胺基复合材料的抗原子氧防护性能。最后,对聚酰亚胺材料抗原子氧防护技术的研究工作进行总结,并展望了未来发展趋势。

聚硅氧烷-聚酰亚胺复合材料抗原子氧侵蚀机理分子动力学研究

为了探究不同取代基聚硅氧烷提升聚酰亚胺在太空环境中抵抗原子氧(AO)侵蚀能力的作用机制,本研究采用反应分子动力学(MD)模拟,分析了取代基分别为三氟甲基(-CF_(3))和甲基(-CH_(3))的多面体笼型聚硅氧烷(POSS)复合聚酰亚胺纳米材料的抗原子氧侵蚀性能。结果表明:PI/CH_(3)-POSS和PI/CF_(3)-POSS复合材料均表现出较强的抗AO侵蚀能力,其作用机制是通过形成SiO_(2)层以阻止AO向聚合物基体的传播和热量的传递,其中PI/CF_(3)-POSS复合材料的效果最优,经35 ps的AO侵蚀模拟后其归一化质量为0.83,而PI/CH_(3)-POSS复合材料的归一化质量为0.78。

电极间距对防原子氧聚硅氧烷薄膜性能的影响

与传统制备防护薄膜的方法相比,等离子体聚合法是一种更高效、干燥和简易的制备方法,可以在各种基底上制备数百纳米厚的致密薄膜涂层。采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)法在大面积柔性聚酰亚胺Kapton基底上制备了聚硅氧烷防原子氧薄膜。用SEM、AFM、FTIR和XPS等表征分析了电极间距对聚硅氧烷薄膜性能的影响。结果表明,减小电极间距加速了单体的解离和碳基成分的氧化。随着电极距离的减小,薄膜的沉积速度增大,薄膜从有机无机聚硅氧烷薄膜(SiO_(x)C_(y)H_(z))向无机薄膜(SiO_(2))转化。薄膜中高解离能Si-O键的增多,降低了原子氧的侵蚀率。研究结果为用PECVD方法制备其他有机硅功能薄膜奠定了技术基础。

本征抗原子氧聚酰亚胺超细纤维膜的制备与性能研究

为应对空间探索活动对本征抗原子氧聚酰亚胺超细纤维膜的需求,文章将Si元素与P元素引入到聚酰亚胺分子结构中,采用静电纺丝技术制备了本征抗原子氧聚酰亚胺超细纤维膜。系统研究了Si元素与P元素的引入对超细纤维的化学结构、微观形貌、光学性能、热性能以及抗原子氧侵蚀性能的影响。结果表明:分子结构中引入Si元素和P元素的聚酰亚胺超细纤维膜表面光滑,微观结构呈现连续的纤维状;玻璃化转变温度(T_(g))大于290℃,450℃以下时均表现出良好的热稳定性;且由于引入了Si元素和P元素,在经积分通量为2.0×10^(21) atom/cm^(2)的原子氧辐照后,聚酰亚胺超细纤维膜的原子氧侵蚀速率与Kapton®相比降低了1个数量级。

原子氧和紫外辐射效应对空间光学系统沸石分子筛吸附性能的影响

针对低轨空间环境下分子筛材料吸附能力变弱造成高精度、超低温光学仪器或者其他精密探测仪器的探测质量和使用寿命受到严重影响的问题,研究低轨环境中,ZSM-5、ZSM-22、MCM-41和SAPO-11四种沸石分子筛辐照前后样品的外观和对水的吸附性能。结果表明:原子氧对四种材料吸附性能几乎没有影响;紫外会严重降低MCM-41吸附性能,吸收比率降低约2.44%,SAPO-11吸收比率增加1.6%,而ZSM-5、ZSM-22吸收比率增加的幅度非常小,可以忽略;与紫外单独辐照相比,原子氧与紫外同时辐照对MCM-41影响不大,而对SAPO-11、ZSM-5影响较大,可以显著增强其吸附能力,吸收比率增加约为1.7%;对四种材料进行烘烤,加热后MCM-41吸收比率恢复为原样品的吸收比率,表明紫外辐照后造成的网络破坏可以通过烘烤修复。

石墨烯/PI薄膜制备及耐原子氧腐蚀性能研究

原子氧是近地轨道环境(200~1000)km中最危险的环境因子之一,它会引起航天器材料的腐蚀和降解,进而影响航天器的稳定性、缩短使用寿命。本文中,研究了石墨烯填料用于提升聚酰亚胺材料(PI)的耐原子氧腐蚀性能。创新性的设计了一种新型的限位剥离石墨箔的电极结构,通过使用交流电的电化学方法制备出了石墨烯(EGs)。通过原位聚合制备了不同比例的EGs/PI复合膜。原子氧暴露实验后,所有比例的EGs/PI复合膜的耐氧原子腐蚀性能都有所提升。其中添加2wt%的EGs/PI复合膜耐氧原子腐蚀性能最佳,可使复合材料的质量损失下降46%。石墨烯的成键效应和壁垒效应对复合材料防护性能的提升起主要作用。这些初步但有趣的结果为耐原子氧腐蚀研究开辟了新道路。

原子氧对石墨烯膜电阻的影响

通过对石墨烯膜在原子氧辐照下电阻变化研究,并结合原子氧辐照前后石墨烯膜表面微观形貌分析,发现石墨烯膜会被原子氧剥蚀,膜厚逐渐减小直至完全剥蚀。石墨烯膜的电阻在原子氧辐照初期有所下降,之后开始上升。说明在原子氧辐照初期有石墨烯吸附氧原子的现象,在后期石墨烯膜电性能变化符合电阻定律。利用石墨烯剥蚀厚度或者石墨烯电阻变化数据两种方法都可以得到石墨烯膜剥蚀率,约为(1.2~1.3)×10-25cm3/atom。根据石墨烯膜电阻随原子氧注量的关系,提出一种新的原子氧探测器。

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。

一种空间用抗原子氧复合膜 β布的原子氧、温度、紫外辐射效应的试验研究

在原子氧剥蚀效应地面模拟设备中对一种抗原子氧复合材料β布进行了原子氧剥蚀效应试验、试样温度升高对原子氧效应的影响试验以及原子氧与紫外辐射复合效应试验研究 ,对试验前后 β布试样的质量及表面形貌进行了比较 ,得出了材料在设备中的反应特点以及温度变化、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律。另外对这种材料与原子氧的反应机理进行了分析 。

Kapton抗原子氧侵蚀的Al_2O_3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 Al2 O3 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 ;Al2 O3 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 ,Kap-ton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 Al2 O3 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 。

LEO轨道卫星原子氧环境SPENVIS软件仿真

原子氧(AO)是影响低地球轨道(LEO)卫星在轨性能的重要空间环境因素之一,其氧化性会对卫星表面材料及舱外组件造成损伤,严重影响卫星在轨寿命,有必要对LEO轨道上的AO环境进行比较,做好AO防护工作。本文使用SPENVIS仿真软件,计算并分析了LEO轨道卫星的AO环境,考虑了轨道高度、轨道倾角、太阳活动指数与地磁活动指数等因素的影响。本仿真计算结果可以用于低轨卫星AO防护设计,为后续卫星设计选材时提供数据参考。

QHH涂层的抗原子氧防护应用及成型工艺研究

原子氧是地球轨道最重要,最危险的环境因素之一,原子氧可能导致材料性能发生变化,因此需对可能遭受原子氧侵蚀的材料进行防护设计。本文基于宇航原子氧侵蚀机理,详细叙述了一种可抗原子氧侵蚀的涂层,并对该涂层的防护机理进行了详细说明,从理论上说明其应用可行性。此外,基于涂层固化过程中的反应防护机理,对其成型固化工艺中的关键要素进行了简述,确保涂层与防护基体粘接牢固可靠。最后,为印证涂层的抗原子氧防护效果,采用多种常用工程材料进行抗原子氧侵蚀对比试验。

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。

利用Ni催化型探测器测量原子氧密度

利用Ni催化探测器标定了地面模拟空间原子氧环境设备的原子氧密度.原子氧源是利用微波ECR耦合O2气放电生成氧等离子体产生的.纯Ni圆片在原子氧环境中首先暴露30rain,使其表面充分活化形成一层NiO.探测器活化后测量其在不同条件下原子氧环境中暴露时的温度变化.发现原子氧密度与气压和探测器轴向位置有关.当气压从10-3 Pa-10-2 Pa之间变化时原子氧密度在10 16-10 17/m3之间变化.采用聚酰亚胺侵蚀法测得的原子氧密度与Ni探测器确定的基本一致.

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。

原子氧对航天材料的影响与防护

文章综述了低地球轨道(LEO)中原子氧(AO)环境对航天材料影响的研究现状。首先介绍AO对材料的危害及作用机制等。然后重点阐述了国内外学者关于AO与Al、Ag、Cu、Ni等金属材料以及半导体材料作用的研究成果。最后总结了AO的防护方法,及其对不同材料抗AO侵蚀能力的改善结果。

银在原子氧环境中的氧化行为

利用石英晶体微天平(QCM)、扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对暴露在原子氧地面模拟装置中的银箔的表面氧化行为进行了研究。结果表明银在原子氧中的氧化分为两个阶段:在开始氧化过程中表面形成了一层较厚的Ag2O膜,由于氧化膜内较大的生长应力,使得氧化膜起皱、开裂和剥落;氧化过程的第二阶段为氧化膜顶层AgO的形成,AgO是由Ag2O和O反应生成的。

原子氧对金属银和有机防护涂层的侵蚀

用光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)观测了在模拟原子氧(AO)环境中Ag及在其表面涂覆的有机防护层的表面,研究了表面的形貌和质量损失.结果表明,AO对Ag有较严重的侵蚀作用,使原来光亮的表面失去光泽,变得粗糙;采用环氧树脂、聚胺脂或醇酸树脂作为防护涂层,AO辐照后其表面形貌也发生了较大变化,表明腐蚀严重;采用有机硅作为涂层,被AO侵蚀后其表面形貌的变化甚小,质量损失较小,表明这种涂层具有较明显的防护效果.经AO辐照后有机硅涂层表面生成了致密的氧化硅膜层,对抑制AO的进一步侵蚀具有关键作用.