原子氧防護涂層為“天和”太陽翼披上鎧甲

李中華，何延春，王志民，李 林

（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）

原子氧（Atomic Oxygen）是由太陽紫外光（波長＜243 nm）離解低地球軌道環境中的殘余氧分子而形成的。低軌道原子氧的密度在109～105cm-3左右，航天器高速飛行（7.8 km/s）增大了原子氧對航天器表面材料的撞擊能量（～5 eV）和通量。軌道越低，航天器表面經受的原子氧通量越大。原子氧是極強的氧化劑，可對航天器表面的有機材料和部分金屬材料產生嚴重的氧化剝蝕作用，導致材料厚度減薄、表面形貌變化、熱學/電學性能改變，甚至完全失效。如：厚度25μm的聚酰亞胺（PI）材料暴露在400 km軌道約10個月后，將會被原子氧完全剝蝕。因此，原子氧是低軌道長壽命航天器在軌高可靠運行的最大威脅。

NASA《低軌道材料選擇指南》等相關報告指出，防護涂層（SiOx-PTFE、硅氧烷等）經2.5×1022atoms/cm2原子氧作用后的質量損失率（基底+防護涂層）小于7.24×10-4g/cm2，就能滿足空間站15年的原子氧防護需求，并以此推算出在軌15年后的壽命末期，表面沉積了防護涂層的PI剩余質量仍然有79%。SiOx-PTFE涂層已經在國際空間站（ISS）上運行超過15年，為空間站太陽翼提供了良好的原子氧防護。

我國“天和”空間站運行在300～400 km低地球軌道，設計壽命15年，空間站上新型大面積柔性太陽翼使用了大量的PI。在軌期間，空間站迎風面經受的原子氧累積通量將達到7.83×1022atoms/cm2，原子氧剝蝕效應將嚴重影響空間站表面材料的性能和壽命，必須對其表面進行原子氧防護。

蘭州空間技術物理研究所采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）技術為空間站柔性太陽翼板間電纜研制了一種硅氧烷防護涂層，如圖1所示。該涂層厚度約為400 nm，表面結構以-[-Si-O-Si-]-為主，而內層結構中含有一定的甲基（-CH3）基團。因此，硅氧烷涂層既具有良好的原子氧防護性能，又具有較好的柔韌性。該涂層在地面模擬試驗中經2.5×1022atoms/cm2原子氧作用后的質量損失率僅為3.3×10-4g/cm2，約為ISS太陽電池陣表面SiOx-PTFE復合防護涂層在相同條件下質量損失率（7.24×10-4g/cm2）的50%。硅氧烷涂層為我國空間站太陽翼板間電纜披上了一層防護“鎧甲”。

圖1 我國空間站新型大面積太陽翼及沉積了保護涂層的板間電纜

關鍵詞：空間站；原子氧；PECVD；聚酰亞胺；防護涂層

Key words：space station；atomic oxygen；PECVD；PI；protective coating

中圖分類號：V445文獻標志碼：A文章編號：1006-7086（2021）03-0306-01

DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2021.03.20