月塵被動防護技術的最新研究進展*

穆萌 張海燕 王曉 李存惠 張小平 王明智4)朱應敏 高立波4) 趙呈選 陸洋 王衛東4)?

1) (西安電子科技大學機電工程學院， 西安 710071)

2) (蘭州空間技術物理研究所， 真空技術與物理重點實驗室， 蘭州 730000)

3) (澳門科技大學， 月球與行星科學國家重點實驗室， 澳門 999078)

4) (港城大-西電微納制造聯合實驗室， 深圳 518057)

5) (香港城市大學機械工程系， 香港 999077)

1 前 言

自1969 年阿波羅(Apollo)十一號載人飛船成功登月以來， 世界各國對月球的科學研究便成為航天活動深空探測的趨勢和熱點.目前， 歐洲空間局與阿麗亞娜集團合作研討月球采礦技能， 計劃于2025 年開始勘探提取月球表面風化土; 美國航天局(NASA)將發射獵戶座飛船和SLS 重型運載火箭造訪月球; 2019 年中國則成功實現“嫦娥四號”在月背軟著陸， 用于開展月背低頻射電天文觀測與研究， 并進一步研究月背巡視區形貌及月表淺層結構， 在人類探月史上又邁出了一大步[1].截至2020 年， 中國已成功完成五次探測任務， 目前正在實施探月工程三期“嫦娥五號”任務、“嫦娥六號”任務來實現月面采樣返回， 并計劃建設月球科研站，進而對月面開展探測與其他技術試驗[2].

然而， 月球空間中各種不可預知的因素給深空探測帶來了極大的考驗， 其中月塵是探月工程中最大的危害， 給登月帶來了許多困難[3].研究表明， 月塵主要由晶質顆粒與較大的火成巖碎塊、玻璃質碎片(包括大量的玻璃球粒)及微量金屬顆粒組成，平均直徑為40—130 μm， 在月球的低重力和近乎真空的環境中， 這些細小微粒很容易被自然或人為

活動擾動而懸浮在空中.Apollo 報告中指出當輻射器表面11% 被月塵覆蓋時， 其表面電磁波吸收率增加近一倍[4]; 另外， 由于大多數月塵顆粒呈不規則形狀， 容易造成機械損傷， 降低探測器使用壽命， 嚴重的會造成機械結構卡死， 使月球車緊急終止[5]; 更重要的是， 月塵會造成宇航員的視覺模糊與行動困難， 一旦宇航服產生破損后進入體內， 硅酸鹽將與胃中的水結合生成有害的化學物質[6]， 圖1所示為Apollo 任務中被月塵污染的宇航服[7].Sun等[8]將月球土壤模擬物與PM2.5 作對比， 檢測大鼠術后的病理變化等指標， 發現月球土壤模擬物毒性強于PM2.5， 會引起肺損傷和炎性疾病.因此，減少月塵在探測過程中的危害是月球探測任務中必須解決的任務.

圖1 Appllo 任務中被月塵污染的宇航服 (a)宇航服整體污染情況; (b)宇航服局部污染情況[7]Fig.1.Spacesuit contaminated by lunar dust during Apollo mission: (a) Overall pollution of spacesuit; (b) local contamination of spacesuit[7].

目前， 月塵的防護方式主要分為主動防護與被動防護兩種.主動防護主要是清潔被保護表面或利用外力防止灰塵在器件表面積累， 常用的方法有機械式和靜電法.區別于主動防護技術， 被動技術不借助外力來減小月塵在儀器或設備表面上的吸附，主要是利用表面改性來減小灰塵與被保護表面之間的黏附， 因此在使用前通常對儀器或設備表面進行物理或化學預處理， 通過降低月塵與儀器或設備表面的相互作用力實現防護的目的.主動防護技術雖然除塵效率高， 但往往需要更多的能源和復雜的結構， 導致可靠性降低， 并且容易對設備造成損傷.對某些不易采用主動防護技術的儀器或設備來說，月塵的被動防護技術是一種成本低、簡單易行的方法， 通過對儀器或設備的表面進行被動防護， 可提高航天器關鍵部件對復雜月球環境的適應性并延長它們的使用壽命.

本文主要對近十年來國內外在月塵被動防護方面的研究進展進行回顧和總結， 內容涉及月塵對探測設備的危害、吸附機制和防護技術進展等方面.首先， 從月塵對探測設備造成的不利影響出發，闡述塵埃的被動防護問題.然后， 從評估塵埃防護有效性的角度探討塵埃顆粒造成黏附的原因， 分析造成月塵黏附的短程范德瓦耳斯力與長程靜電力的作用機制.進而， 總結月塵被動防護技術的最新研究進展.最后， 對現有防塵技術及有效性進行總結與未來展望.

2 月塵黏附機理

月球環境中塵埃的不斷沉積對深空探測產生巨大的威脅， 研究塵埃的沉積機制， 進而確定月塵與材料間的相互作用力， 對克服塵埃黏附特性， 確定有效的防護機制非常重要.Walton[9]從月塵的物理特性入手， 研究了月塵在月表環境中受到的多種作用力， 發現月塵黏附在表面后， 主要受到與表面能相關的黏附力， 如范德瓦耳斯力和靜電力的影響.Berkebile 等[10]研究了真空環境中火山玻璃與航天器材料的黏附力， 提出在超高真空環境如月球、火星等小行星中造成嚴重的灰塵黏附主要受到靜電力和表面能兩個物理機制的影響.

2.1 月塵粒子的運動與分布

月球與地球環境之間有很大的區別， 月球重力加速度是地球重力加速度的1/6， 近月空間內， 大氣密度只有地球上的1/1012， 整個月球表面由一層厚厚的流星撞擊產生的風化層覆蓋著， 這些風化層產生了大量微米、亞微米級的粉塵顆粒.根據NASA 科學家對Appllo 月球樣品的分析， 月壤中絕大多數顆粒直徑在30 μm—1 mm 之間， 其中顆粒粒徑小于2 μm 的月塵占月壤總重量的90%以上[11]， 這些顆粒表面分布有不規則的尖銳棱角， 如圖2 所示[12]， 這些礦物質顆粒具有較高的表面能，在月球的真空環境下能達到4500 mJ/m2.月球環境中還充滿著如太陽風、太陽宇宙射線和系外高能宇宙射線等輻射[13]， 且不斷受到流星體和微流星體的沖擊， 撞擊速度大約為2.4 —72 km/s[14]， 月球顆粒從被撞擊后的隕石坑中升起并散布在四周， 還有可能形成噴射粒子鏈繼續撞擊， 產生二次粒子，這些二次粒子可進一步使局部輻射環境復雜化.由于長期暴露在這些輻射產生的電場中， 具有較高的比表面積與絕緣性的塵埃顆粒很容易攜帶靜電， 所產生的靜電力克服了大多數粒子在行星塵埃環境中控制其運動的引力和表面力[15]， 容易漂浮在空間中， 且具有較強的黏結性.在月球的明暗界限交替線或附近， 由于太陽紫外輻射對月塵的充電影響， 會使月塵周期性地升起， 離開月面近半米高.此外， 月塵粒徑較小、質量較輕， 當在靜電力的作用下黏附在探測設備表面時， 會受到很強的范德瓦耳斯力， 黏附力變強， 顆粒很難從設備表面脫離，進而造成對設備的危害.

圖2 不同形貌的20 μm 月塵顆粒掃描電子顯微鏡(SEM)暗場像[12]Fig.2.Various surface and shape features of 20 μm lunar dust particles via scanning electron microscope (SEM)[12].

2.2 月塵與材料間的作用力

2.2.1 范德瓦耳斯力

相鄰中性原子或分子相互感應而產生的瞬時極性所造成的粒子間的一種弱作用力即為范德瓦耳斯力.微米、亞微米量級的顆粒與表面接觸的現象與宏觀尺度完全不同， 由于此時兩者之間的距離很小， 分子和原子之間的電子云會因為振動而極化， 范德瓦耳斯力起主要作用， 因此會出現表面擠壓、變形和粘連等現象.Rima 等[16]研究了灰塵積累中的四種基本力: 毛細力、范德瓦耳斯力、靜電力和重力， 結果表明， 在相對濕度較高時， 毛細力主要影響黏附， 而在干燥環境下， 主要受范德瓦耳斯力的影響， 而且粗糙度顯著增加的表面大幅度減小了粒子與表面之間的毛細力.由此推知， 粒子與固體表面之間的吸附作用主要由范德瓦耳斯力組成.

光滑球形顆粒與平面之間的范德瓦耳斯力一般計算表達式為

式中R 為顆粒半徑， D 為球形顆粒與接觸表面之間的距離， 且D ? R; A 為Hamaker 常數， 可用表面能估算大小，

其中D0大約為0.2 nm，γp和γs分別是粒子和表面的表面自由能.

對于宏觀接觸體， Dzyaloshinskii 等[17]基于多體理論的量子場方法， 在只考慮理想光滑接觸的情況下， 使用長波長近似(DLP 方法)計算相互的吸引力.在微觀方法中， 范德瓦耳斯力被認為是組成物體的原子或分子相互作用的能量.眾多研究人員針對范德瓦耳斯力的量化提出不同的方法， Hamed等[18]通過研究粒子碰撞參數對應的范德瓦耳斯截止距離， 力求找到粒子碰撞表面反彈和黏附的標準， 使用離散元方法發現截止距離對顆粒臨界速度的影響程度取決于阻尼比和粒徑大小， 當阻尼比接近1 時臨界速度接近趨向無窮.此外， 隨著附著能的增加， 截止時間和粒子速度與碰撞持續時間成反比.Avijit 等[19]利用聚苯乙烯顆粒靠近較大的二氧化硅顆粒表面， 測量大約80 nm 的接觸范圍， 得到具有更大信噪比的范德瓦耳斯力， 并在實驗中使用卡方擬合來量化范德瓦耳斯力的Hamaker 常數.

實際接觸時顆粒和表面不同的粗糙度和力學特性都會影響接觸間距， 從而影響范德瓦耳斯力的大小.由于在較大距離上， 粒子分布主要受范德瓦耳斯色散力的影響， Valmacco 等[20]考慮忽略雙層力的影響， 用原子力顯微鏡(AFM)測量鹽水溶液中二氧化硅粒子對之間的粒子分布， 通過熱處理控制顆粒表面粗糙度.結果表明， 隨著溫度的增加，Hamaker 常數從7 × 10—23J 變為2.4 × 10—21J，色散力增強， 在此過程中， 顆粒納米尺度的表面粗糙度變小， 證明粗糙度的均方根與Hamaker 常數負相關.因此在考慮減小范德瓦耳斯力時應減小其接觸物質表面能或改變接觸面粗糙度， 在選擇塵埃的防護方式時應該充分考慮這些因素.

2.2.2 靜電力

由于月球表面復雜的等離子環境， 月球表面會形成一個穩定的局部電場， 此時月壤顆粒會因反復充放電而帶電， 帶電后塵埃顆粒的運行受到洛倫茲力的影響， 但目前對于月球環境中顆粒帶電的特性認識還不夠充分.

通常意義上， 粒子間的靜電力通常是用庫侖定律對力的估計， 或者是基于高斯定律計算電場.庫侖力通過計算單個粒子的靜電力進而疊加求和得到， 高斯定律是通過計算電荷密度的方法計算靜電力的， 但需要計算網格上電場的離散化， 實際處理時分辨率難以實現.針對兩種算法的量化難度，Holger 和Miltiadi[21]提出一種基于P3M 算法的混合方案， 將兩種算法結合， 使求解大量粒子之間的庫侖力計算效率變高， 在相同精度的情況下計算成本減少80%， 但僅限于等極性粒子.對于設備表面與帶電月塵顆粒的接觸， 其靜電力大小的計算式為

其中Q 為均勻分布在顆粒表面的電荷， R 為顆粒半徑， ε0為真空介電常數， α 為依賴于介電粒子極化率的修正因子.

基于這些量化方法， 其他研究人員提出減小靜電力的方法， 以減少在某些情況下靜電力對實際系統產生的危害.Javid 等[22]利用一種可調電介質層摻雜高極化材料來提高靜電/微結構膠黏劑中的靜電附著力， 實驗結果表明， 增加電介質的相對介電常數可以增加電黏附力， 且微觀結構本身可以增加黏膠黏結力.Wang 等[23]使用粒子圖像測速儀研究了靜電袋式除塵器中粒子的運動， 同時采用電低壓沖擊器對沉積電荷量進行間接測量.研究表明，帶電粒子的運動受到粒子間靜電斥力和帶電塵埃層的共同作用， 且粒子運動速度與顆粒帶電量的大小正相關.Zhao 等[24]研究了顆粒表面粗糙度對材料靜電力產生的影響， 在研究中考慮顆粒接觸面積、顆粒形狀、相對濕度等多重因素的影響， 發現接觸面積與靜電強度正相關， 接觸濕度與靜電強度負相關， 同時， 靜電力的大小隨顆粒粗糙度的增大而先增大后減小， 而與顆粒物質無關.Zhu 等[25]發現添加少量的抗靜電粉， 可以減少靜電力的產生，進而改變顆粒與接觸壁的相互作用性能.

3 被動防護技術

深空探測中被動防塵方式的有效性， 很大程度上取決于設備的防塵機理， 只有單一的防塵機理也許并不能很好地達到降塵效果， 為了有效、長期地控制效果， 必須明確月塵的防護機制.被動防護最簡單的方式有設置防護罩、防塵遮板、表面改性等.在光學系統中， 常使用設置防護罩的方法[26]， 防護罩可以在不工作時蓋住光學鏡面， 工作時自動打開， 這樣可以避免不工作時光學鏡頭被灰塵黏附，但是使系統變得復雜， 容易產生新的問題.安裝在月球車上的擋塵板， 當月球車行走時， 擋風板會阻隔一部分月塵， 改變月塵的運動方向， 有效地減小月塵影響的范圍.表面改性的方法則是借助離子束等技術方法， 改變材料表面狀態， 從而獲得一些新材料或使改性后的材料的結構與性質得到更好的提高.

3.1 減小范德瓦耳斯力的防護方法

當兩種固體之間接觸時， 主要取決于范德瓦耳斯力的作用大小， 這種由誘導偶極的電子交互作用引起的色散力會發生變化， 進而增強接觸物體間的作用力.為了減小范德瓦耳斯力， 在選擇表面時考慮降低材料表面能或者將材料處理為具有一定粗糙度的表面(如圖3 所示[27]).

3.1.1 低自由能表面

表面自由能作為材料表面狀態的特征因子， 指的是物質表面積增大時， 系統自由能相應增加， 這是由于表層原子朝向外面的鍵能沒有得到補償， 使得表面質點比體內質點具有額外的勢能， 這是材料自身的特點， 對材料表面的多種物理化學性質和界面反應如吸附、潤濕和結合等現象有很大的影響.由于固體內分子排列緊密且在微觀界面分布不均勻， 沒有可靠的方法直接測定固體的表面能， 因此對于固體表面自由能的計算， 一般是通過測量某種液體和固體表面之間的接觸角， 然后借助一定的關系式來表征的.薛偉等[28]使用Owens 二液法計算了不同表面的表面能， 并通過施加分子膜等手段使表面能從70 mJ/m2降為25 mJ/m2， 此時構件表面的黏附力從784.7 N/m2減小到46 N/m2， 充分證明微觀黏附力和表面能總體存在較好的對應性.

針對固體塵埃的防護， 通常利用低表面能涂層涂覆的方法達到減摩、抗黏附的目的.顏晨曦等[29]使用水汽固化的方式制備全氫聚硅氮烷(PHPS)涂層， 在制備過程中控制固化溫度與時間， 發現涂層接觸角最大時疏水性最好， 且隨著固化時PHPS涂層中化學鍵的變化， 極性組分增加， 表面能增大，涂層具有優異的附著性能.另外， Zhan 等[30]將凝結液滴的自跳效應用于干燥環境下的表面除塵， 由此制備了一種透光性與機械性能良好的涂層， 用于玻璃表面的改性(如圖4 所示)， 處理后的玻璃既具有良好的疏水性與高光透射率， 且凝結水跳躍性能優異， 通過表面的低黏附性與冷凝液的跳躍而自動去除較小的顆粒.因此在深空探測中為減小灰塵對探測設備的黏附性， 可在考慮材料表面能的同時考慮使用特殊涂層對表面的改性.

圖3 不同方式處理后的玻璃表面的黏附力 (a)， (b)太陽能玻璃表面上的粒子組件的AFM 圖像; (c)用PDMS 預處理的太陽能玻璃、太陽能玻璃、涂有納米結構粒子組件的太陽能玻璃上的黏附力值; 在10 個不同的區域進行測量， 值的誤差小于10%， 灰色區域對應于將二氧化硅球從表面分離所需的能量[27]Fig.3.Adhesion force of solar glass surface treated in different ways: (a)， (b) AFM images of the particle assemblies on the solar glass surface; (c) adhesion force values on the surface of solar glass pretreated with PDMS， solar glass， and solar glass coated with nanostructured particle assemblies.Measurements were performed on ten different areas.The error in the values is less than 10%.The grey areas correspond to the energy required to separate a silica sphere from the surface[27].

圖4 納米結構涂層的制備及表面特征 (a)納米結構涂層的制備; (b)—(e)在700 °C 進行2 h 相分離處理后的涂層SEM 圖像， 其中(b)酸預處理后的表面圖像; (c)酸蝕刻處理后的表面低倍率圖像和(d)高倍率圖像; (e)熱處理后的涂層的SEM 圖像[30]Fig.4.Preparation and surface characteristics of nanostructured coatings.(a) Preparation of the nanostructured coatings.(b)—(e) SEM images of coatings after phase separation treatment at 700 °C for 2 h: (b) Image of the surface after acid pretreatment; (c) low-magnification and (d) highmagnification images of the surface after acid etching treatment; (e) SEM image of the coating after heat treatment[30].

3.1.2 改變表面粗糙度

表面的粗糙程度與表面黏附塵埃有很大的關系， 當塵埃粒徑與表面粗糙度相差很大時， 附著與黏附沒有太大影響， 當粒子很大時， 幾乎所有粒子被去除， 當粒子很小時， 所有粒子全部黏附在表面.Amiriafshar 等[31]研究了表面初始粗糙度和超疏水性的綜合影響， 使用17-4PH 不銹鋼作為基板，應用鋅電鍍層制備了具有不同形貌的粗糙表面， 并在涂層前(圖5(a)—(c))和涂層后(圖5(d)—(f))對不同表面進行SEM 成像， 圖5(e)為電沉積后形成的納米結構表面， 圖5(g)—(h)為高倍的SEM顯微圖， 發現在初始表面粗糙度為(4.62 ± 0.15) μm時表面均勻性最好， 此時涂層附著力最佳.在月球表面， 塵埃顆粒粒徑很小， 粒子與接觸面的大小處于納米尺度， 此時粒子與表面接觸的總附著力隨表面粗糙度的不同而不同， 當表面粗糙度小于10 nm時， 粒子與表面之間的非接觸力即范德瓦耳斯力起主要作用， 附著力隨納米粗糙度的減小而增大， 因此可考慮改變表面粗糙度的方法來減小固體塵埃在設備表面的黏附.Peillon 等[32]使用納米級、亞微級、微微級三種不同尺度粗糙度的基板測量黏附力， 發現與納米級粗糙度光滑表面相比， 粗糙度均方根為712 nm 的微粒子的黏附力下降了兩個數量級.另外在微米尺度， 黏附力與粒徑的相關性有一個次于表面粗糙度的影響.因此， 在考慮探測設備的材料選取時， 可以對表面材料進行一定的處理， 將其處理成有一定粗糙度的表面對減少范德瓦耳斯力的大小， 進而防止塵埃的附著有很重要的意義.

Moutinho 等[33]使用拋光處理玻璃表面， 并在相對濕度為0 的穩定環境中測定AFM 針尖和SiO2球體顆粒與表面接觸的范德瓦耳斯力， 結果如圖6 所示.可以看出， 在粗糙度變化時附著力隨粗糙度的增大而減小， 且顆粒尺寸影響在較小粗糙度時更明顯， 此時顆粒越大， 有效接觸面積越大，從而使黏附力增大.在生物學方面， Wu 等[34]通過電拋光法制備了不同表面粗糙度的不銹鋼樣品， 納米級的表面粗糙度在抑制細菌黏附和形成微菌落方面發揮重要作用.

3.1.3 表面的制備

圖5 (a)接收樣品、(b)噴砂樣品和(c)研磨樣品表面SEM 圖像; (d)， (e)， (f) EDX 疊加在接收、噴砂、研磨樣品的SEM 圖像;(g) 研磨樣品(f)的高倍掃描電鏡顯微圖; (h)涂Zn 涂層的研磨樣品截面圖[31]Fig.5.SEM micrographs taken from the surface of (a) as-received， (b) sand-blasted， and (c) ground samples.The EDX chemical concentration maps superimposed on the SEM images of the coated (d) as-received， (e) sand-blasted， and (f) ground surfaces.(g) Higher magnification SEM micrograph of the ground surface shown in (f).(h) SEM image showing the applied Zn coating crosssectional view on the ground surface[31].

圖6 表面粗糙度值不同時AFM 針尖和SiO2 球的附著力[33]Fig.6.Adhesion of AFM tip and SiO2 ball with different surface roughness values[33].

有研究表明， 對于不同的表面處理方法， 材料表面自由能會發生變化， 進而引起結合功的變化，自由能越高結合功越高， 材料的吸附效果越優越.低表面能材料的表面制作在技術上已經相當成熟，常見的低表面能材料包括烷烴類化合物、有機硅化合物、含氟化合物和其他化合物等.另外， 構造具有一定粗糙度的表面可以降低表面附著物的黏附，構建粗糙表面時通常需要事先對表面進行預處理，表面預處理的主要目的是去除表面的所有污染物和薄弱層， 獲得較大的表面面積， 并確保觸發機械、物理和化學方面與黏附有關的鍵合機制.很多研究致力于開發合適的表面預處理方法， 目的在于制備具有微納結構及低表面能的表面.主流的有等離子刻蝕法、溶膠-凝膠法、電化學法、相分離法等.圖7 為等離子刻蝕原理圖， 主要是利用等離子體中的自由基粒子對材料進行去除.Li 等[35]將常壓等離子加工技術用于熔融石英光學加工， 并在實驗中發現等離子體處理的表面粗糙度相對于原始表面2.2 nm Rq增大至38 nm Rq， 另外表面出現的透明區與不透明區是因為表面過于粗糙導致可見光漫反射， 兩個區域微觀形貌的主要差異是蝕刻細胞微觀結構的大小和密度造成的.Ji 等[36]采用50 nm SiO2顆粒溶膠與MgF 溶膠混合， 制備出具有自清潔和抗磨損的抗反射膜， 圖8 所示為制得的薄膜涂附在玻璃表面上的示意圖.

圖7 電容耦合放電等離子體中的刻蝕示意圖Fig.7.Schematic diagram of etching in capacitively coupled discharge plasma.

月球車表面應使用機械強度高、重量輕且受空間環境效應影響小的材料， 常選用鋁、碳/聚酰亞胺、高強度陶瓷纖維、β 布等， 其中聚酰亞胺自身機械強度較高， 具有良好的介電性、高溫穩定性，抗輻射性能好等優點而被選擇.Gotlib-Vainstein等[37]使用液相沉積的方法在Kapton 基材上沉積了SnO2， 結果表明該涂層在很大程度上防止了原子氧對表面的侵蝕， 且減少了靜電放電的現象.Du等[38]使用紫外激光器對聚酰亞胺進行表面改性，使用高壓氬氣除去表面激光變形時產生的碎屑.結果表明使用低功率強度和高脈沖重疊的激光處理的情況下， 可以實現激光織構聚酰亞胺表面的超疏水性， 體現了表面具有低表面能的性質， 且在保持脈沖重疊不變的情況下， 激光功率強度越高， 水接觸角越大， 如圖9 所示.

通過不同的方法制作特殊涂層， 或使表面具有多級粗糙結構， 并將其應用于設備表面， 可以實現對塵土的有效防護.Critchlow 等[39]和van Dam等[40]使用不同方法對樣品進行處理， 結合微粗糙結構等使樣品接觸面增加， 進而附著力增強.Chen等[41]使用聚乙烯亞胺(PEI)交聯戊二醛(GA)為改性劑， 對經過堿溶液處理的聚酰亞胺薄膜進行表面改性， 得到一種具有金屬化的聚酰亞胺薄膜， 這種薄膜具有與金屬銅層機械鎖接的表面粗糙度(圖10)， 且電阻率較低， 可以黏附在表面上不易落下.Quan 和Zhang[42]在太陽能電池上覆蓋高透光疏水性涂層， 證明了低表面能和涂層粗糙結構結合， 可以降低顆粒與表面之間的黏附力， 與未經處理的玻璃表面相比， 灰塵通過機械振動更容易被除去.

Chi 等[43]將納米有機二氧化硅黏合劑與二氧化硅納米粒子結合， 制備具有高機械強度和自清潔的反射涂層， 該涂層具有透射率高達99.9%的透射峰， 具有161°的水接觸角和4.2 GPa 的硬度， 適合在惡劣條件中廣泛使用.另外有研究組[44]利用可伸縮制造工序的玻璃基板制造自清潔疏水納米涂層(SCHN)， 制作涂層時， 先使用金剛石微納米顆粒磨料對玻璃基底進行處理， 使之出現微觀粗糙面， 再用三氯硅烷蒸汽(TCPFOS)進行沉積.處理后的涂層黏附性降低， 且具有一定的耐鹽、耐酸、耐堿、耐磨性及適當的熱分解溫度， 可以應用于太陽能電池板的自清潔， 還可用于具有金屬結構的腐蝕保護， 并具有防污所需的性能.因此，在設備表面涂敷一層具有自潔效應的納米尺度表面不僅可以減小灰塵的沉積速率， 達到防塵的效果， 還有更好的溫度緩解.使用改性后的材料作為探測設備表面涂層， 使設備不與行星表面直接接觸， 且由于低表面能材料對灰塵的黏附作用小， 可以減小塵埃對設備的附著力， 進而減小塵埃對設備的危害.

圖8 具有自清潔和抗磨損的抗反射膜[36]Fig.8.Anti-reflective film with self-cleaning and anti-wear[36].

圖9 不同激光功率強度及強度處理的聚酰亞胺表面的水接觸角[38] (a) 7.7 × 104 W/cm2， 40%; (b) 7.7 × 104 W/cm2， 60%;(c) 7.7 × 104 W/cm2， 90%; (d)前 進 角7.7 × 104 W/cm2， 90%; (e)滯 后 角7.7 × 104 W/cm2， 90%; (f) 1.0 × 106 W/cm2， —40%;(g) 1.0 × 106 W/cm2， 0%; (h) 1.0 × 106 W/cm2， 40%Fig.9.Water contact angle of polyimide surface treated with different laser power intensities and overlaps: (a) 7.7 × 104 W/cm2 and 40%; (b) 7.7 × 104 W/cm2 and 60%; (c) 7.7 × 104 W/cm2 and 90%; (d) advancing angle at 7.7 × 104 W/cm2 and 90%; (e) receding angle at 7.7 × 104 W/cm2 and 90%; (f) 1.0 × 106 W/cm2 and —40%; (g) 1.0 × 106 W/cm2 and 0%; (h) 1.0 × 106 W/cm2 and 40%[38].

圖10 聚酰亞胺(PI)薄膜表面形貌圖[41] (a)， (d)， (g)原始PI 薄膜的SEM， AFM， EDS 圖像; (b)， (e)， (h)使用KOH 預處理后的PI 薄膜的SEM， AFM， EDS 圖像; (c)， (f)， (i)使用GA-PEI 進一步處理后的PI 薄膜的SEM， AFM， EDS 圖像Fig.10.Surface topography of polyimide film[41]: SEM images， AFM images and EDS spectra of (a)， (d)， (g) original PI film，(b)， (e)， (h) pre-modified PI film treated with KOH and (c)， (f)， (i) PI film further treated with GA-PEI.

3.2 降低靜電力的防護方法

月球與火星的探測任務中， 部分設備本身已經具有很好的防塵效果， 但是由于自身工作的需要，周圍會產生一定的電場， 造成對月塵的吸附， 這種情況就需要減小靜電力以降低對顆粒的黏附作用，保證設備的工作效率.一方面可以在設備表面覆蓋一層導電膜增強材料表面導電性， 中和月塵顆粒所帶電荷， Cui 和Zheng[45]為提高光學性能， 使用電沉積方法在氧化銦錫(ITO)鍍膜玻璃表面沉積2 nm 的TiO2正電荷納米粒子， 這種納米粒子可以吸附帶負電的月塵顆粒， 另外由于TiO2納米顆粒填充到了ITO 層的空隙中， ITO 層變得光滑(如圖11 所示)， 相比未處理表面， TiO2/ITO 鍍膜玻璃基材透光率從75%—87%提高至85%左右， 這種方法可以用于探測設備中的相機表面， 既達到了防塵的效果又保證了良好的透光性.Choi 等[46]研究了具有低壓降特性的鋁涂層導電纖維過濾器， 可以有效地利用靜電捕獲微納顆粒污染物.該過濾器表面涂覆有一層鋁前驅體油墨， 經過測試后顯示該過濾器表面具有較低的薄層電阻， 且機械耐久性良好.通過帶電粒子與纖維之間的庫侖力， 可以捕獲尺寸為30—400 nm 的超細顆粒， 除塵率極高.這種在表面涂覆纖維的方法可以顯著提高帶電粒子的去除效率， 制備工藝簡單且可擴展， 有助于降低成本， 用于對帶電顆粒的防護.

圖11 電沉積法制備的ITO (a) 和TiO2/ITO (b)的涂層玻璃基底的FE-SEM 圖像[45]Fig.11.FE-SEM images of ITO (a) and TiO2/ITO (b) coated glass substrates prepared by electrodeposition for 5 min [45].

另一方面， 可以將設備周圍靜電力變為靜電斥力， 迫使帶電粒子遠離表面， 從而達到阻止顆粒黏附在表面的效果.這一概念最早由Masuda 等[47]提出， 并實現了采用靜電行波除塵的系統， 這種系統沒有機械部件， 可靠性高.后來， Kawamoto 等[48]將平行的ITO 電極印刷在玻璃基板上作為傳送器，然后利用四相矩形電壓施加在傳送器上產生靜電行波(如圖12(a))， 進而去除月塵的黏附.但是這種方法需要的ITO 電極較為昂貴， 為解決這一問題， 使用一個嵌入在太陽能電池板蓋板上的平行細線電極的防塵玻璃板和一個產生兩相矩形電壓的高壓源組成除塵系統[49]， 如圖12(b)所示， 這種系統可以很好地清除較大的灰塵顆粒.利用這種原理， Yilbas 等[50]將SiO2顆粒沉積到玻璃表面達到疏水性后， 又在表面搭建電路， 以便能夠在表面上的灰塵顆粒上產生脈沖形式的靜電效應， 排斥將要沉積在表面的灰塵顆粒， 對于月球車上的太陽能電池板， 可以將其鍍膜并傾斜放置， 也可以減少月塵的影響.Kohli[51]表明顆粒的去除取決于克服顆粒對表面的黏附力， 顆粒去除系統使用一系列電極組成， 這些電極與嵌入在表面絕緣層中的電源相連接， 并給電極施加單相或多相電壓以產生駐波或行波， 當顆粒受到的庫侖力超過黏附力時， 可以使用介電電泳移除顆粒.

圖12 采用(a)行波和(b)駐波的靜電清洗系統原理圖[49]Fig.12.Schematic diagrams of the electrostatic cleaning systems that use a (a) traveling wave and (b) standing wave[49].

除此之外， 近期有研究組提出將主動防護與被動防護的技術相結合， 進而減少宇航服上黏附的灰塵.Manyapu 等[52]將電動力學防塵罩(EDS)與工作功能匹配涂層(WFM)相結合， 開發了一套關于宇航服集成的防塵系統.在這套系統中， EDS 利用靜電力和介電泳力產生電場除去塵埃顆粒， 然后使用新型高性能材料如碳納米管柔性纖維作為電極將EDS 集成到太空服， 對比普通的金屬電極， 這種柔性纖維具有更好的彎曲疲勞和回彈性， 實驗表明此系統可以去除80%—95%的模擬月塵顆粒，且顆粒大小基本處于10—75 μm 的范圍內.這套系統經過改進[53]后， 將碳納米管柔性纖維制成的平行導電紗嵌入到宇航服表面， 可以更好地應用于柔性材料， 通過排斥漂浮的顆粒與懸浮已沉降的灰塵來達到防塵的效果.Richard 等[54]使用剪切增稠液(STF)滲透進宇航服環保衣物(EPG)， 并在織物表面使用超疏水涂層， 其理論模型如圖13 所示，這種處理方式在保證彈性的同時， 防粉塵滲透能力增強， 抗磨損性能也得到了改善， 可以達到宇航服輕量級、高柔性、高耐穿性的要求.

圖13 STF 減緩粉塵滲入及EPG 殼層織物的超疏水處理[54]Fig.13.STF reduces dust penetration and super-hydrophobic treatment of EPG shell fabric[54].

Jiang 等[55]針對導體表面除塵， 研究了基于鋯鈦酸鉛鑭陶瓷(PLZT)光伏異常效應的新型除塵技術.在實驗中使用紫外線對PLZT 照射來充電，基底表面覆蓋絕緣聚酰亞胺膜來防止顆粒反復充電， 結果表明這種除塵技術可以有效清除一定范圍內的粉塵顆粒， 效率可以達到95.3%， 但是這種技術同樣具有一定的局限性， 不能對所有的灰塵顆粒進行有效清除.與這種方式類似， Lu 等[56]提出了一種履帶式自主除塵裝置來清除導體與非導體表面上的月球塵埃， 履帶采用柔性共面雙極電極， 并使用PLZT 控制除塵裝置的路徑與速度， 結果表明這種裝置不受表面材料的影響， 且電極面積越小， 除塵效果越好， 這種方式可以去除50—100 μm的月塵顆粒， 除塵率可以達到95.3%.這些新型除塵方式為月塵防護提供了新的思路， 不僅可以達到預期的除塵效果， 并且受到的影響因素不斷減少，可以有效地實現在月球表面上對塵埃顆粒的防護，減少探測過程中的危害.

4 實驗測試手段

目前， 實驗測試月塵防護效果的方法主要分為直接測試和間接測試兩種.直接測試是指通過一些具體的設備測試處理工藝前后月塵質量、數量的變化來達到評價防塵效果的目的， 間接測試是指通過將月塵質量的變化等效到其他熱、電、光學量的變化進而達到評價防塵效果的目的.其中直接測試的方法主要有自然沉降法[57]、吹掃法[58]、離心法[59]等.間接測試的方法包括透光率法[60]、求太陽吸收率(α)與熱發射率(ε)比值法[61]、輸出電壓法[62].此外還有針對防塵涂層的耐用性進行的輻照、溫度、微重力環境等測試[63].

4.1 直接測試

Zhang 等[57]將深色紅外反射顏料和熔融的低密度聚乙烯(LDPE)混合， 通過模板熱壓的方法得到了一種超疏水表面.通過室外的靜置實驗在灰塵自然沉降30 天后觀察表面灰塵沉積情況， 證實了該種薄膜具有一定的防塵效果.Crowder 等[58]開發了一種表面化學改性工藝， 可以應用在光學、聚合物、金屬和硅的各種表面并有著優異的防塵效果.通過吹掃的方式對改性表面進行定性分析， 利用粒子計數法對防塵效果進行了定量統計.圖14是在手套箱中進行樣品表面月塵涂敷和“吹掃”的具體過程.

圖14 表面月塵涂敷及“吹掃”過程[58]Fig.14.Lunar dust coating and “purge” process[58].

圖15 幾種不同的用于測顆粒黏附的離心管結構[64-68]Fig.15.Several different centrifuge tube structures used to measure particle adhesion[64-68].

離心法測試塵埃顆粒的黏附效果由來已久， 早在1986 年， Kulvanich 和Stewart[64]設計出了一種用于測試粒子間黏附力的離心管結構.1987 年，Booth 和Newton[65]也設計出一種特殊結構的離心管用來測試粒子和表面的黏附作用.近年來，Nguyen 等[59]、 Salazar-Banda 等[66]、 Markelonis等[67]、Schulze 等[68]先后設計并優化了一系列的離心管結構用于測試粒子的黏附作用.圖15 所示是上述研究人員設計的不同的離心管結構[64-68].

2010 年Crowder 等[58]設計出一種新的離心裝置和粒子計數法結合起來對表面的防塵效率進行了定量表示， 如圖16 所示.在真空箱室內架置一個滾筒， 將測試基板固定在滾筒上， 通過網篩將灰塵顆粒灑落于滾筒的樣品表面.設置不同的滾筒轉速， 利用CCD 相機記錄樣品表面灰塵沉積情況，通過粒子計數法對不同表面的防塵效果作出評價.

圖16 一種用于防塵測試的真空離心裝置[58]Fig.16.Vacuum centrifugal device for dustproof test[58].

4.2 間接測試

徐陽等[60]將制備的納米晶復合涂層應用在太陽能電池玻璃蓋板上， 通過翻轉操作前后太陽能板的輸出電壓的變化以及灰塵對玻璃蓋板的透光率的影響， 證實了該種超微結構的復合涂層可以最大限度地清除沉積的灰塵， 恢復太陽能電池的發電能力.NASA 格倫研究中心利用防塵表面處理前后太陽吸收率(α)與熱發射率(ε)的比值評估了三種不同的表面處理方法在AZ93， AlFEP 和AgFEP 三種熱控表面的防塵處理效果.此種測試方法有效地表征了幾種表面處理方法的優劣.其中功函數匹配涂層的方法和波爾科技公司的專業化學表面改性處理工藝在上述幾種熱控表面的防塵效果有了顯著提升.圖17 是幾種典型航空材料處理前后灰塵吸附效果的對比[61].

利用輸出電壓等效反映除塵效果的方法一般用于主動除塵的方式中， 比如在電簾除塵的方式中應用廣泛.孫旗霞等[62]從實現交變電場的電簾出發， 分別介紹了電簾表面的交變電場分布、顆粒在電簾表面的受力狀態、顆粒群運動過程中的摩擦電荷分布、顆粒運動的模擬方法、顆粒運動過程、除塵效率和能耗的實驗和理論研究.對自清潔太陽能電池板的防塵效率通過太陽能電池的輸出變化來確定.Kawamoto 和Seki[69]從2005 年開始就致力于行波電簾的研究， 通過設計不同的電簾結構并不斷優化， 先后設計了多相電簾以及不同的電極結構.通過評價月塵質量、顯微計數以及輸出的變化評估了不同電簾設備的除塵效率.圖18 是四相電簾的除塵效果[70].

4.3 其他測試

圖17 表面處理前后樣品表面灰塵吸附效果[61]Fig.17.Dust adsorption effect on sample surface before and after surface treatment[61].

圖18 四相電簾在空氣與真空環境下的除塵效果[70]Fig.18.Dust removal effect of four-phase electric curtain in air and vacuum environment[70].

月球環境復雜， 對航天器的危害因素主要有月塵、真空環境、溫度環境、太陽輻射和微重力環境的影響， 即使在地球環境上測試的樣品具有良好的防塵效果， 在真實月球環境下也可能并不能達到預定效果， 因此建立高還原度的月球模擬環境對月塵防護及相關實驗的有效程度非常重要.

圖19 月球環境模擬裝置LDAB[63]Fig.19.Lunar Environment Simulator LDAB[63].

基于此， NASA 格倫研究中心建造了一套高還原度的月球環境模擬裝置—月球塵埃黏附鐘罩(LDAB)， 如圖19 所示[63].該套裝置主要由篩梳旋轉器、等離子接觸板、灰塵篩、灰塵加熱器/冷卻器、氙弧燈、冷墻、除塵器、RGA 質譜儀構成.此裝置可以通過電阻加熱器加熱灰塵， 在粉塵上方產生射頻空氣等離子體來模仿太陽風， 同時氙弧燈可以模擬從紫外光到紅外光的近太陽光譜， 對月塵進行輻照和加熱.

王志浩等[71]使用已開發的月塵沉積與吸附實驗系統， 建立了基于顆粒運動的黏附力分析測試方法， 使用輻射源輻照裝置內的模擬月塵顆粒， 并通過不斷提高裝置電壓， 觀察高速攝像機拍攝的顆粒運動情況來獲取月塵和平面材料間的黏附力及顆粒荷電電量.李青等[72]針對月球探測器在不同力學環境下展開研究， 使用道路模擬試驗臺模擬探測器在移動過程中顛簸振動的時域和能量， 并使用分頻段等效包絡的方法制定探測器軟著陸過程試驗條件， 嫦娥三號實際飛行驗證了這種方法的有效性.

5 總 結

在月球探測中月塵的沉積對設備的壽命及宇航員的安全有嚴重的威脅， 月塵防護技術的有效性至關重要.月球表面環境不同于地球， 存在各種射線的影響， 且塵埃顆粒粒徑較小， 表面帶有一定電荷的電量， 使得月塵主要受到范德瓦耳斯力與靜電力的作用， 極易黏附在設備表面.本文在綜述月塵被動防護技術時， 從黏附機理出發， 論述了造成月塵顆粒黏附在表面的主要作用力， 以黏附力作為理論基礎， 總結具有低表面能、一定粗糙度等性質的材料對表面范德瓦耳斯力的影響， 以及改變表面導電狀態對靜電力的影響等不同方式， 并論述表面黏附力的測試方法.

月塵的防護方式主要分為主動防護與被動防護， 主動防護機械沖洗的方法對材料表面容易產生永久性磨損， 且用于沖刷的液體在月球環境下不易獲取.相比之下， 被動防護的方式維護簡單且對表面傷害小， 一般而言， 最有效的防塵技術是使用經過表面處理后的材料作為探測設備表面， 在月球環境下損傷最小， 且不耗費人力.考慮到各種技術的優缺點， 深空探測中應盡量使用材料改性， 再將這種材料與主動技術相結合， 通過表面覆膜或刻蝕等方法使暴露在外層的表面自由能降低， 并增大其粗糙度， 對于空中漂浮的帶電粒子， 考慮電子中和原理， 將易吸附電子的表面處理為導電材料， 盡可能中和電子， 減少灰塵的黏附.對于月塵防護效果的測試， 主要分為直接測試與間接測試， 但對比而言，兩種測試方法只能簡單地估算結果， 而不能準確地量化黏附力.因此對月塵的防護， 使用主動與被動防護結合， 并在最終使用近似月球環境的設備檢測其防護效果更能得到預期結果.