真空紫外對原子氧環境下S781白漆性能影響的研究

郭 亮，姜利祥，李 濤，劉向鵬

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

低地球軌道環境（Low Earth Orbit，LEO）中存在大量具有強氧化性的原子氧（atomic oxygen，AO），當航天器在LEO環境中以7～8 km/s的軌道速度飛行時，原子氧撞擊航天器表面的能量可達4～5 eV，在這一過程中，原子氧與航天器表面材料會發生復雜的物理、化學反應，造成材料的剝蝕和性能的退化，進而影響航天器在軌運行的可靠性，更嚴重的會導致飛行任務的失敗[1]。目前原子氧效應及試驗方法研究已成為LEO空間環境效應研究的一個重要組成部分。

除原子氧外，低地球軌道環境中紫外（UV）、真空紫外（VUV）輻射也會對航天器材料產生影響。盡管真空紫外輻照能在太陽總輻照能中所占比例很小，但其作用卻十分重要。當材料表面的分子吸收UV輻射或VUV輻射的能量后，就有可能發生化學鍵的斷裂，并引發相應的物理和化學變化，從而對材料的結構和性能帶來影響[2-4]。

低地球軌道航天器在軌期間可能會遭到原子氧和紫外兩種環境同時作用，這種綜合的空間環境會造成航天器表面材料性能的加速退化，進而危及航天器運行的可靠性，降低航天器的使用壽命。諸如熱控涂層、多層絕緣體和光學表面等敏感材料尤其易受影響，表面性能變化將會對它們的功能產生影響[5-7]。此外，紫外造成的化學鍵斷裂，還會在材料表面生成一些新的反應基，從而促進了原子氧對材料的剝蝕。

S781白漆是我國自行研制的一種性能優異的熱控涂層，它以硅樹脂為粘合劑，氧化鋅為顏料，曾用于我國某型號的飛行任務中。文獻[6-8]主要報導了 S781白漆在空間輻照環境下的性能變化規律，文獻[9]主要研究了溫控白漆在原子氧和紫外綜合環境作用下的性能變化，而國內目前還沒有關于真空紫外對S781白漆在原子氧環境中性能影響的其他報道，本文將重點對S781白漆在原子氧和真空紫外作用下性能的變化進行研究分析。

本文利用AOBISEE設備對航天器常用熱控涂層材料S781白漆進行了單一原子氧環境試驗、真空紫外與原子氧遞次試驗以及原子氧與真空紫外綜合輻照試驗，研究S781白漆在原子氧環境下真空紫外對其性能的影響情況，對長壽命、高可靠航天器的熱控設計、熱控涂層性能的改進以及完善原子氧環境地面加速試驗方法等具有重要意義。

1 試驗研究對象和試驗方法

1.1 研究對象

試驗選取S781白漆作為研究對象。由于S781白漆所用的粘合劑具有特殊的結構和優異的性能，通常作為航天器表面熱控涂層的粘結劑，在航空航天領域得到了廣泛的應用。

1.2 試驗設備

試驗在AOBISEE設備上進行。該設備主要由真空容器、真空抽氣系統、三維移動機構、束流發射裝置、微波發生系統和總體控制及數據采集系統等組成，圖1為該試驗設備的結構示意圖。

圖1 AOBISEE設備結構示意圖Fig. 1 The schematic diagram of AOBISEE facility

1.3 試驗裝置

試驗裝置如圖2所示，樣品靶臺和冷卻水箱通過固定架與三維移動機構相連，使樣品靶臺和冷卻水箱接觸良好以便控制樣品的溫度。另外，樣品與樣品靶臺的連接可采用快速拆卸方式。整個試驗裝置放置在真空容器內。

圖2 試驗裝置組裝示意圖Fig. 2 The schematic diagram of experimental installation

1.4 試驗方案

分別對S781白漆進行單一原子氧環境試驗、真空紫外與原子氧的遞次試驗（先進行單一真空紫外環境試驗，再進行單一原子氧環境試驗）和原子氧與真空紫外輻照環境試驗（原子氧與真空紫外兩種環境不間斷同時作用），研究真空紫外對 S781白漆在原子氧加速試驗中的影響。

1.5 試驗設備參數

1.5.1 原子氧源技術參數

試驗前對原子氧源軸向中心距中性化板不同距離處的原子氧束流進行了標定，標定所選材料為Kapton H薄膜。根據Kapton H薄膜試驗前后的質量變化計算距中性化板不同距離處的原子氧束流密度，標定結果如圖3所示。

圖3 距中性化板不同距離處的原子氧束流密度Fig. 3 Atomic oxygen flux as a function of on-axis distance between the neutral board and sample installation device

1.5.2 氘燈技術參數

本試驗所選用的真空紫外光源為Hamamatsu公司生產的L7293型氘燈，該氘燈輻射的紫外光波長范圍在115～400 nm之間。圖4表示距離發光點25.4 cm處氘燈在其波長范圍內的紫外輻照情況[10]。

圖4 幾種氘燈的太陽輻照度Fig. 4 Solar air mass zero (AM0) spectral irradiance for a few types of deuterium lamps

1.6 試驗參數

結合國內外調研結果，根據設備現有能力制定如下試驗參數。

1）原子氧積分通量：3.5×1019atom/cm2；

2）真空紫外輻照度：200 ESH；

3）樣品預處理條件：在低真空中保存48 h；

4）單一原子氧環境試驗真空度：10-2Pa；

5）真空紫外與原子氧遞次試驗真空度：真空紫外輻照階段優于1.3×10-3Pa；原子氧輻照階段為10-2Pa；

6）原子氧與真空紫外綜合輻照試驗真空度：10-2Pa；

7）原子氧束流密度：≥1014atom/(cm2·s)；

8）試驗樣品溫度：＜40 ℃。

1.7 測試儀器

試驗前后采用 ME215S高精度微量電子天平對樣品的質量進行測試；用TEMP 2000A便攜式熱發射率測試儀測試樣品的熱發射率。

2 試驗結果及分析

2.1 材料的質量損失

表1列出了S781白漆分別在單一原子氧環境試驗、真空紫外與原子氧遞次試驗以及原子氧與真空紫外輻照環境試驗前后的質量變化。從表1中可以看出：單一原子氧環境試驗、真空紫外與原子氧遞次試驗二者對S781白漆造成的質量損失相當；而經原子氧與真空紫外綜合輻照試驗后S781白漆的質量損失較上述兩種環境試驗的大。這說明原子氧與真空紫外綜合輻照試驗對S781白漆產生了協和效應，真空紫外與原子氧的協和作用加速了S781白漆與原子氧的反應，使得原子氧對S781白漆的剝蝕效果更加顯著。

一般而言，溫控漆主要是由粘接劑及顏料粒子組成的混合物。顏料粒子通常為TiO2、ZnO等金屬氧化物粉末，這些金屬氧化物在原子氧環境中的穩定性較好。目前使用的有機溫控漆的粘接劑通常為聚胺脂、有機硅、環氧樹脂等，這些有機化合物在原子氧、紫外環境作用下碳氫鍵、碳氧鍵、碳氮鍵全部被破壞，整體碳鏈骨架消失。紫外輻照產生的氣相生成物大部分是碳氫化合物分子，原子氧暴露產生的氣相生成物主要是CO、CO2、H2O。其中聚胺脂、環氧樹脂漆表面被原子氧剝蝕嚴重，有機硅漆在表面形成抗原子氧的SiO2成分。因此，聚胺脂、環氧樹脂漆在原子氧和紫外的綜合作用下質量損失將會增大，而有機硅漆在原子氧和紫外的綜合環境中較穩定。

表1 不同環境試驗前、后S781白漆的質量Table 1 The mass of thermal control paint S781 before and after different environmental tests

2.2 熱發射率

表2列出了S781白漆分別在單一原子氧環境試驗、真空紫外與原子氧遞次試驗以及原子氧與真空紫外綜合輻照試驗前、后的熱發射率。從表2中可以看出，經上述 3種不同環境試驗之后，S781白漆的熱發射率變化均不明顯。

溫控漆在空間環境中性能的退化主要由紫外引起。當溫控漆顏料粒子的金屬氧化物吸收的入射光子能量大于其價帶與導帶間隙能量時，將形成能與金屬氧化物晶格離子相互作用的空穴-電子對，在導帶上積累電子，這些電子將吸收某個波長范圍的光子，導致材料表面變色。但金屬氧化物顏料粒子在原子氧環境下輻照后其電子-空穴對會消失，將產生所謂的“漂白”效應或“恢復”效應。這就是S781白漆在原子氧與真空紫外輻照環境作用前、后其熱發射率變化較小的原因。

表2 不同環境試驗前、后S781的熱發射率Table 2 The thermal emissivity of thermal control paint S781 before and after different environmental tests

3 結論

通過本試驗研究，得到如下結論：

1）單一原子氧環境試驗和真空紫外與原子氧遞次試驗二者對S781白漆的剝蝕程度相當，真空紫外與原子氧遞次試驗沒有對S781白漆產生協合效應，而原子氧與真空紫外綜合環境對S781白漆產生了協合效應，真空紫外環境的存在加速了原子氧與S781白漆的反應，使原子氧對材料的剝蝕程度加劇，真空紫外對S781白漆的原子氧環境加速試驗影響顯著。

2）單一原子氧環境、真空紫外與原子氧遞次試驗以及原子氧與真空紫外輻照試驗對S781白漆的熱發射率影響不明顯。

3）地面模擬試驗中，在輻照劑量范圍內，S781白漆的原子氧與真空紫外輻照試驗不能用真空紫外與原子氧遞次試驗代替。

（

）

[1] 郭亮, 姜利祥, 李濤. 樣品溫度對原子氧環境下ITO/Kapton/Al涂層性能變化的影響[J]. 航天器環境工程, 2009, 26(4: 326-328

[2] Silverman E M. Spacecraft environmental effects on spacecraft: LEO materials selection guide, NASA CR-4661, N96-10860[R]. California, TRW Space & Electronic Group, 1996: 1-1～14-19

[3] Slemp W S. Ultraviolet radiation effects. In: NASA/SDIO space environmental effects workshop, NASA CP-3035[R], 1988: 425-446

[4] Dever J A. Low earth orbital atomic oxygen and ultraviolet radiation effects on polymers[R]. N91-12594, Cleveland, NASA Lewis Research Center, 1991: 1-12

[5] Rutledge S, Banks B, Dever J. International test program for synergistic atomic oxygen and VUV exposure of spacecraft materials, NASA/TM-2000-210054[R]

[6] 劉宇明, 馮偉泉, 丁義剛, 等. S781白漆在空間輻照環境下物性變化分析[J]. 航天器環境工程, 2007, 24(4): 235-238

[7] 馮偉泉, 丁義剛, 閆德葵, 等. 地球同步軌道長壽命衛星熱控涂層太陽吸收率性能退化研究[J]. 中國空間科學技術, 2005, 25(2): 34-40

[8] 劉宇明. 空間環境中S781和SR107性能退化研究[J].航天器環境工程, 2008, 25(5): 435-437

[9] 童靖宇, 王吉輝, 李金洪. 溫控白漆原子氧紫外綜合環境效應退化影響初步研究[J]. 航天器環境工程, 2003, 20(4): 19-24

[10] Dever J A, Pietromica A J, Stueber T J, et al. Simulated space vacuum ultraviolet (VUV) exposure testing for polymer films, NASA/TM-2002-211337[R]