航天器用Parylene-C涂覆材料空間輻照適用性研究

牛虎 劉泊天 李巖 高鴻 邢焰

（中國(guó)航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

0 引言

太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（SADA）作為長(zhǎng)壽命大功率航天器能源系統(tǒng)的重要部件，通過驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)帆板旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤，從而高效地獲取能源并利用導(dǎo)電環(huán)完成太陽(yáng)帆板與航天器主體間的電功率與電信號(hào)傳輸［1-3］。功率電刷是SADA 電功率傳輸?shù)闹饕M件，通過和電纜、電連接器等共同組成SADA 內(nèi)完整的功率傳輸通道。

為保證功率電刷能夠穩(wěn)定工作，通常會(huì)在其表面噴涂三防保護(hù)涂料對(duì)其進(jìn)行完整的絕緣防護(hù)，防止在功率傳輸過程中高壓情況下可能會(huì)出現(xiàn)間歇的電暈放電現(xiàn)象，保證電功率可靠傳輸，進(jìn)而延長(zhǎng)其使用壽命［4］。對(duì)二甲苯二聚體（派瑞林，Parylene）作為一種常用的涂覆材料，它具備化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明性好以及優(yōu)異的電絕緣性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、電子產(chǎn)品、MEMS 領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景［5-7］。目前，常用的Parylene主要有Parylene-C、Parylene-D 和Parylene-N 三種［8］。其中Parylene-C 因其同時(shí)具備優(yōu)良的電性能、物理性能、耐腐蝕性以及易成膜性［9-10］，已被應(yīng)用在SADA中的功率電刷上。Parylene-C 粉料通過真空氣相沉積工藝鍍覆于功率電刷鈹青銅材料表面實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電刷的三防，確保電功率的穩(wěn)定傳輸。

Parylene-C 薄膜作為一種高分子材料，當(dāng)長(zhǎng)期受到空間輻照時(shí)，會(huì)引起高分子鏈的降解、斷裂或交聯(lián)［11-13］，導(dǎo)致薄膜的開裂、變脆，并造成相應(yīng)功能的退化，最終影響電功率傳輸?shù)目煽啃裕?4］。本文以通過真空氣相沉積法制備的Parylene-C 薄膜及Parylene-C 薄膜-鈹青銅試片為研究對(duì)象，對(duì)薄膜厚度以及在鈹青銅上附著力等鍍覆工藝性能，薄膜熱性能、電性能以及電子、質(zhì)子輻照之后相關(guān)性能的變化情況和失效機(jī)理等進(jìn)行研究分析，評(píng)估Parylene-C薄膜的耐空間輻照能力，擬為Parylene-C 薄膜在SADA組件中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Parylene-C膜、鈹青銅-Parylene-C膜。

1.2 儀器設(shè)備

CHY-CB薄膜測(cè)厚儀；Vertex 70 V傅里葉紅外光譜儀；STA449F3 同步熱分析儀；ZJC-20 kV 擊穿電壓測(cè)試儀；КИФК型空間輻照環(huán)境綜合模擬設(shè)備。

1.3 Parylene-C薄膜厚度測(cè)定

采用薄膜測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)定，將載玻片上的Parylene-C 薄膜取下，至少獲取薄膜3 片，測(cè)量厚度時(shí)需對(duì)薄膜的邊緣和中間均進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)數(shù)不得小于3個(gè)點(diǎn)。

1.4 附著力測(cè)定

利用1 mm切割間距的劃格刀對(duì)Parylene-C 薄膜在鈹青銅試片上的附著力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法采用GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》中的劃格法，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對(duì)附著力等級(jí)進(jìn)行判定。

1.5 熱性能測(cè)試

采用德國(guó)耐馳（NETZSCH）公司STA 449F3 型同步熱分析儀在升溫速率10 K/min 條件下測(cè)試Parylene-C 薄膜的熱分解溫度。實(shí)驗(yàn)所用樣品的質(zhì)量約為10 mg，氣氛選用N2，流量控制在50 mL/min，使用Al2O3坩堝，從室溫加熱至900 ℃。

1.6 電性能測(cè)試

采用ZJC-20 kV 擊穿電壓測(cè)試儀參照QJ 2220.3—1992《涂層電絕緣性能測(cè)試方法 工頻下?lián)舸╇妷骸舸?qiáng)度、耐電壓的測(cè)量方法》中的方法進(jìn)行薄膜擊穿電壓測(cè)試。

1.7 紅外測(cè)試

采用Vertex 70 V 傅里葉紅外光譜儀對(duì)Parylene-C薄膜和偶聯(lián)劑的紅外特征峰進(jìn)行測(cè)試。

1.8 電子、質(zhì)子輻照

采用КИФК 型空間輻照環(huán)境綜合模擬設(shè)備對(duì)單面鍍Parylene-C 膜的鈹青銅試片進(jìn)行輻照，電子輻照注量為1×1015、5×1015、1×1016、2.5×1016e/cm2，質(zhì)子輻照注量為1×1014、5×1014、1×1015、2.5×1015p/cm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 Parylene-C薄膜厚度

以SADA 電刷組件中刷片為Parylene-C 的應(yīng)用對(duì)象，刷片對(duì)Parylene-C 薄膜厚度要求為（17±3）μm和（27±3）μm。通過真空氣相沉積工藝制備了兩種規(guī)格的Parylene-C薄膜，厚度如表1和圖1所示。

表1 Parylene-C薄膜厚度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Thickness test results of Parylene-C films

圖1 Parylene-C薄膜厚度分布Fig.1 Thickness distribution of Parylene-C films

測(cè)試結(jié)果表明Parylene-C 薄膜厚度平均值分別為18.2 和26.0 μm，滿足應(yīng)用要求［（17±3）μm 和（27±3）μm］。此外，通過對(duì)薄膜所有測(cè)試點(diǎn)分析可知，（17±3）μm 和（27±3）μm 兩種規(guī)格厚度薄膜離散系數(shù)分別為2.8%和2.5%，表明所用涂覆工藝比較穩(wěn)定，可獲得所需不同厚度的涂層。

2.2 附著力

利用真空氣相沉積制備了單面鍍覆Parylene-C薄膜的鈹青銅試片，使用劃格刀具對(duì)兩種規(guī)格薄膜在鈹青銅上附著力的測(cè)試如圖2所示。

圖2 鈹青銅-Parylene-C薄膜劃格試片F(xiàn)ig.2 The cross cut test pieces of beryllium bronze-Parylene-C films

參照GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》中測(cè)試及評(píng)級(jí)方法，對(duì)兩規(guī)格薄膜附著力的判定結(jié)果如表2所示。

表2 兩規(guī)格Parylene-C薄膜的附著力測(cè)試結(jié)果Tab.2 Adhesion test results of two specifications of Parylene-C films

由附著力測(cè)試結(jié)果可知，兩規(guī)格Parylene-C 薄膜在鈹青銅試片上的附著力等級(jí)均為1級(jí)，表明薄膜與鈹青銅基材黏結(jié)性好，Parylene-C 粉料經(jīng)真空氣相沉積工藝后可較好地附著在鈹青銅表面。

2.3 熱分解溫度

在10 K/min升溫速率條件下，獲得了Parylene-C薄膜的TG曲線，如圖3所示。可看出，Parylene-C薄膜的熱分解主要包括一個(gè)階段，在大約453 ℃開始分解（以分解3%計(jì)），當(dāng)溫度達(dá)到489 ℃時(shí)分解速度達(dá)到最快，整個(gè)過程降解深度約為69%，在835 ℃時(shí)分解結(jié)束。

圖3 Parylene-C薄膜TG-DTG曲線Fig.3 TG-DTG curves of Parylene-C film

2.4 擊穿電壓

每種規(guī)格薄膜選取5 件在0.5 kV/s 升壓速率條件下的擊穿電壓測(cè)試結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 Parylene-C薄膜擊穿電壓Tab.3 Breakdown voltage of Parylene-C films

圖4 Parylene-C薄膜擊穿電壓Fig.4 Breakdown voltage of Parylene-C films

從表3中可知，所選17 μm薄膜擊穿電壓平均值為3.65 kV，27 μm薄膜擊穿電壓平均值為5.27 kV，隨著膜厚的增加，薄膜擊穿電壓增大，27 μm厚薄膜抗擊穿水平約比17 μm薄膜抗擊穿水平高44%。SADA中電刷組件工作電壓通常在（50～150）V［15］，因此，兩種規(guī)格薄膜均可滿足正常環(huán)境下的應(yīng)用要求。

2.5 電子輻照

兩種規(guī)格的Parylene-C 薄膜-鈹青銅試片4種注量下的電子輻照試驗(yàn)后外觀如圖5所示。

從圖5 中可知，1×1015e/cm2注量的電子輻照后，17 μm 的薄膜外觀均完好，無起泡、開裂現(xiàn)象，27 μm有一片出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；經(jīng)5×1015和1×1016e/cm2劑量的電子輻照后，17 和27 μm 的薄膜均出現(xiàn)不同程度的起泡現(xiàn)象，且表現(xiàn)出膜越厚，起泡越嚴(yán)重的現(xiàn)象；經(jīng)2.5×1016e/cm2注量的電子輻照后，17 和27 μm 的薄膜均未出現(xiàn)明顯的起泡和開裂現(xiàn)象，但測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)薄膜明顯變脆，輕微接觸即大面積開裂，如圖6所示。

圖6 2.5×1016 e/cm2注量電子輻照后輕微接觸時(shí)開裂現(xiàn)象Fig.6 Cracking phenomenon when slight contact after 2.5×1016 e/cm2 electron irradiation

針對(duì)電子輻照時(shí)Parylene-C薄膜出現(xiàn)開裂、起泡、變脆的原因進(jìn)行如下分析：涂覆材料試片在制備過程中是先在鈹青銅試片上涂刷少量的偶聯(lián)劑，然后在氣相沉積作用下進(jìn)行Parylene膜層鍍覆，因此電子輻照過程中起泡和開裂的原因與偶聯(lián)劑和涂覆材料本身均可能有關(guān)系。從圖5可知，膜越厚，涂覆材料起泡和開裂現(xiàn)象越嚴(yán)重，且由于在制備17和27 μm的薄膜時(shí)所用偶聯(lián)劑的量是近似相同的，因此，初步分析認(rèn)為起泡現(xiàn)象主要與Parylene膜有關(guān)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證起泡原因，對(duì)單組分Parylene膜、單組分偶聯(lián)劑以及輻照前后涂覆材料薄膜（Parylene膜+偶聯(lián)劑）進(jìn)行了紅外光譜分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 Parylene-C薄膜電子輻照前后紅外特征峰Fig.7 Infrared characteristic peaks of Parylene-C films before and after electron irradiation

從圖中可知，Parylene薄膜在600～700 cm-1處的峰強(qiáng)均隨著輻照注量的增加而減弱，該峰為Parylene中苯環(huán)上C—H或C—Cl的吸收峰，可推斷出電子輻照過程中Parylene中苯環(huán)上C—H或C—Cl鍵發(fā)生了斷裂［16-18］，表明輻照過程中的氣泡主要是由于Parylene膜分解產(chǎn)生的。此外，2.5×1016e/cm2注量電子輻照后薄膜的熱失重測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知，電子輻照后Parylene-C薄膜熱分解溫度約為396 ℃，和輻照前相比降低了57 ℃，且整個(gè)降解過程較輻照前發(fā)生了明顯的改變，這均表明經(jīng)電子輻照后，Parylene-C薄膜結(jié)構(gòu)上發(fā)生了改變導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性下降。為了獲得Parylene-C薄膜電子輻照的耐受上限注量，選取了27 μm規(guī)格的試片繼續(xù)開展了1×1014e/cm2注量的電子輻照試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后涂覆材料外觀和附著力的測(cè)試如圖9和表4所示。

圖8 Parylene-C薄膜電子輻照前后熱重曲線Fig.8 TG curves of Parylene-C films before and after electron irradiation

圖9 Parylene-C薄膜經(jīng)1×1014 e/cm2電子輻照后外觀Fig.9 Appearance of Parylene-C films after 1×1014 e/cm2 electron irradiation

表4 1×1014 e/cm2電子輻照后附著力測(cè)試結(jié)果Tab.4 Adhesion test results after 1×1014 e/cm2 electron irradiation

結(jié)果表明，1×1014e/cm2注量的電子輻照后Parylene-C 薄膜外觀均完好，無起泡、開裂現(xiàn)象。此外，其附著力等級(jí)為1 級(jí)，表明該注量輻照后，Parylene-C 薄膜仍可較好地粘結(jié)在鈹青銅上。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明Parylene-C 涂覆材料可在電子輻照注量不超過1×1014e/cm2的條件下進(jìn)行使用。

2.6 質(zhì)子輻照

兩種規(guī)格的Parylene-C 薄膜-鈹青銅試片4 種注量下的質(zhì)子輻照試驗(yàn)后外觀如圖10所示。

圖10中能看出，經(jīng)4種注量的質(zhì)子輻照后，17和27 μm 的Parylene-C 薄膜外觀均完好，無起泡、開裂現(xiàn)象。最大注量質(zhì)子輻照后薄膜附著力、紅外以及熱失重的測(cè)試結(jié)果如表5、圖11和圖12所示。

圖10 Parylene-C薄膜質(zhì)子輻照后外觀Fig.10 Appearance of Parylene-C films after proton irradiation

圖11 Parylene-C薄膜質(zhì)子輻照前后紅外特征峰Fig.11 Infrared characteristic peaks of Parylene-C films before and after proton irradiation

圖12 Parylene-C薄膜質(zhì)子輻照前后熱重曲線Fig.12 TG curves of Parylene-C films before and after proton irradiation

表5 2.5×1015 e/cm2質(zhì)子輻照后附著力測(cè)試結(jié)果Tab.5 Adhesion test results after 2.5×1015 e/cm2 proton irradiation

經(jīng)最大注量為2.5×1015e/cm2的質(zhì)子輻照后，Parylene-C 薄膜在鈹青銅上的附著力仍為1 級(jí)，表明該注量質(zhì)子輻照后Parylene-C 薄膜仍可較好地粘結(jié)在鈹青銅上。此外，從紅外圖譜中能看出，質(zhì)子輻照前后薄膜的紅外特征峰未發(fā)生明顯的改變；從熱重曲線中看出，質(zhì)子輻照前后薄膜的熱分解溫度均（以分解3%計(jì)）為453 ℃，且降解過程基本一致，這均表明質(zhì)子輻照未對(duì)Parylene-C 薄膜的結(jié)構(gòu)造成顯著的影響，薄膜可耐受2.5×1015e/cm2注量的質(zhì)子輻照。

3 結(jié)論

（1）通過真空氣相沉積工藝制備的兩種規(guī)格的Parylene-C 薄膜的實(shí)測(cè)厚度平均值分別為18.2 和26.0 μm，薄膜與鈹青銅粘結(jié)性較好，附著力等級(jí)為1級(jí)，均滿足應(yīng)用要求，這也表明Parylene-C 薄膜制備工藝穩(wěn)定、可靠。薄膜的熱分解溫度約為453 ℃，擊穿電壓分別為3.65 kV（17 μm）和5.27 kV（27 μm），表明Parylene-C 薄膜熱穩(wěn)定性較好且具有較強(qiáng)的抗電壓擊穿能力。

（2）經(jīng)歷1×1015、5×1015、1×1016、2.5×1016e/cm2四種注量下的電子輻照后，薄膜均出現(xiàn)了不同程度的起泡、開裂和變脆的現(xiàn)象，熱分解溫度較未輻照時(shí)下降了約57 ℃，熱降解過程明顯發(fā)生了變化。分析可知，主要原因是Parylene 薄膜在輻照過程中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞。經(jīng)歷1×1014e/cm2注量的電子輻照試驗(yàn)后，薄膜外觀完好，仍可較好地粘結(jié)在鈹青銅上，附著力等級(jí)為1 級(jí)，表明Parylene-C 涂覆材料可在電子輻照注量不超過1×1014e/cm2的條件下使用。

（3）經(jīng)1×1014、5×1014、1×1015、2.5×1015p/cm2四種注量的質(zhì)子輻照后，Parylene-C 薄膜外觀均完好，無起泡、開裂現(xiàn)象，附著力仍為1級(jí)，熱分解溫度和紅外特征峰較輻照之前均無明顯變化，表明薄膜可耐受2.5×1015e/cm2注量的質(zhì)子輻照。