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硅氧烷原子氧防護(hù)膜工藝及防護(hù)性能研究

文檔作者：鄭闊海楊生勝李中華王敬宜趙琳文檔來(lái)源：蘭州物理研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月16日
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第27卷第6期航天器環(huán)境工程
20 l O年1 2月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERJNG 75 l
硅氧烷原子氧防護(hù)膜工藝及防護(hù)性能研究
鄭闊海，楊生勝，李中華，王敬宜，趙琳
(蘭州物理研究所真空低溫技術(shù)與物理國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000)
摘要：原子氧是對(duì)低地球軌道航天器構(gòu)成重要影響的空間環(huán)境因素之一，嚴(yán)重影響著航天器在軌的安全運(yùn)
行。文章重點(diǎn)介紹了制備工藝對(duì)六甲基二硅氧烷原子氧防護(hù)膜結(jié)構(gòu)及性能的影響，分析了防護(hù)膜的聚合原理，
并對(duì)其結(jié)構(gòu)、成分進(jìn)行了測(cè)試分析，從而獲得了防護(hù)膜的工藝參數(shù)。最后對(duì)防護(hù)膜進(jìn)行了原子氧輻照實(shí)驗(yàn)與測(cè)
試，結(jié)果表明采用等離子體聚合方法制備的原子氧防護(hù)膜具有很好的耐原子氧性能。
關(guān)鍵詞：原子氧；六甲基二硅氧烷(HMDSO)；防護(hù)膜；等離子體；聚合膜
中圖分類(lèi)號(hào)：V258：V520．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673—1379(2010)06-0751-05
DoI：10．3969／j．issn．1673．1379．2010．06．019
O引言
原子氧是由低地球軌道中的02發(fā)生光敏解離
產(chǎn)生的。在低地球軌道空問(wèn)，短波長(zhǎng)(<243nm)
太陽(yáng)輻照的能量足以打斷分子氧的約5 eV的化學(xué)
鍵而生成原子氧，并且此空問(wèn)氧原子的平均自由程
很大(～108 m)，所以氧原子復(fù)合為氧分子／臭氧
分子的幾率很小，使得原子氧成為低軌道最豐富的
氣體[1-6J。在軌航天器以大約7．8 km／s的速度繞地
球飛行，與原子氧撞擊的平均能量為4．5 eV±l eV，
撞擊能量隨軌道高度升高而衰減。原子氧對(duì)航天器
表面材料有很強(qiáng)的氧化侵蝕作用，且伴生的發(fā)光、
發(fā)熱會(huì)改變航天器的熱控性能，甚至影響航天器的
壽命。材料表面侵蝕程度直接與材料接收到的原子
氧累積通量成正比，原子氧的通量密度由航天器軌
道高度、姿態(tài)、軌道傾角、服役時(shí)間和太陽(yáng)活動(dòng)狀
況決定。兇此有必要對(duì)長(zhǎng)壽命的低地球軌道航天器
表面用材料采取一定的防護(hù)措施。
1樣品制備與分析
原子氧防護(hù)膜的制備采用蘭州物理研究所自
研的射頻放電等離子體聚合實(shí)驗(yàn)裝置。放電氣體分
為載氣(Ar)、單體(六甲基二硅氧烷，即HMDSO)
和工作氣體(02)。重點(diǎn)研究了放電時(shí)的壓強(qiáng)、放
電功率、氧分壓以及六甲基二硅氧烷輸送速率等對(duì)
防護(hù)膜結(jié)構(gòu)及性能的影響。實(shí)驗(yàn)中氧氣與六甲基二
硅氧烷的比例通過(guò)氣體流量控制儀控制，放電室氣
壓通過(guò)一蝶閥來(lái)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)薄膜進(jìn)行了
測(cè)試分析，包括：
1)X射線(xiàn)光電子能譜儀(xPS)分析：XPS也
被稱(chēng)作為化學(xué)分析用電子能潛(ESCA)，是一種常
用的固體表面分析方法。由于XPS儀具有很高的表
面靈敏度，特別適用于表面元素定性和定量分析，
也同樣適用于元素化學(xué)價(jià)態(tài)的研究。本文用此方法
檢測(cè)不同工藝制備的有機(jī)硅原子氧防護(hù)膜中的Si、
O和C的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
2)紅外光譜分析：此方法是以分子結(jié)構(gòu)特別
是以分子基團(tuán)結(jié)構(gòu)解析作為其主要功能，在有機(jī)
物分析方面尤為適用。為了得到HMDSO原子氧防
護(hù)膜的結(jié)構(gòu)成分，首先對(duì)薄膜進(jìn)行了紅外光譜分
析。
2 聚合工藝對(duì)原子氧防護(hù)膜組分結(jié)構(gòu)的影響
2．1 工作氣壓對(duì)聚合中元素百分含量的影響
在HMDSO原子氧防護(hù)膜的等離子體聚合制備
過(guò)程中，在聚合起始的數(shù)秒內(nèi)氣壓是升高的，之后
趨于穩(wěn)定。這是由于起始階段HMDSO在等離子體
中化學(xué)鍵被打斷，形成各種自由基／活性基團(tuán)，從
而導(dǎo)致放電室氣壓升高；隨后各種自由基結(jié)合成更
大的鍵結(jié)構(gòu)并沉積在基材上，導(dǎo)致放電室氣壓回
落，此即所謂的泵吸現(xiàn)象(pump effect)【7J。
圖1是薄膜中si、C以及。元素百分含量隨T作
氣壓的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著工作氣壓
收稿日期：2010．05．27；修回日期：2010．11-16
作者簡(jiǎn)介：鄭闊海(1979-)，男，碩士學(xué)位，從事原子氧效應(yīng)及防護(hù)工作。聯(lián)系電話(huà)： (0931)4585299。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
些生鱉H：塹j．些箜翌查
摧漸m∞．i埤脫正機(jī)成分(Si)禽；J}穩(wěn)步增加，柏
機(jī)成分(C)含越則幾f線(xiàn)性降低．O的|：；1分禽城
則壯術(shù)佩持水變．返隨IW薄膜-㈨I：絡(luò)臺(tái)物含毋如
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2．2摻氧量對(duì)元素百分含量的影響
nm護(hù)膜中si、c以段03PI')C泵豐H對(duì)血分含昔
隨摻釩情的變化見(jiàn)l糾2。鮑計(jì)放IU‘訓(xùn)l、中鋌分壓的
埔自1．有機(jī)成訃fc)含‘}迅速減少，咖見(jiàn)機(jī)成分
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