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真空紫外輻照非金屬材料環境效應。 蘇州AG亚娱集团网站動力技術有限公司

2020-10-29 11:38
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 綜述了近年來國內外真空紫外輻照硅橡膠、聚酰亞胺薄膜等常用空間非金屬材料環境效應方面的研究進展。研究結果表明,真空紫外輻照可造成非金屬材料分子鍵斷裂,出氣性能增強,使熱控涂層的光學性能顯著降低。另外,對環境效應的理論研究也進行了概述。借助FTIR、XPS等手段,研究了紫外線與材料的作用機理;基于分子污染理論及輻照化學反應機理,建立了紫外輻照質量損失與污染物沉積模型。通過對該方面國內外研究的對比,提出了國內應加強真空紫外輻照出氣與污染效應理論研究的建議。

  引言

  真空紫外線因光子能量較高,會對非金屬材料造成損傷,從而加劇航天器敏感表面的污染效應,并可能引起增強效應。這將成為制約航天器在軌長壽命、高可靠運行的重要因素。

  真空紫外輻射環境效應主要表現為:輻照造成非金屬材料分子鏈的斷裂,增大了出氣速率;當太陽紫外線照射到材料出氣形成污染云時,污染云內的分子鍵斷裂,容易在敏感表面發生“定影”,形成“永久性”污染;當太陽紫外輻照敏感表面的污染物膜層時,小分子污染物移動(擴散)并聚集到一起形成較大的顆粒,增加了污染分子在敏感表面的滯留時間,造成了污染物沉積量增加。

  國外對真空紫外輻照非金屬材料的環境效應及機理已有相當的研究,國內相關的研究則不多,且主要集中在環境效應與材料損傷機理分析方面。國內外真空紫外輻照非金屬材料引起的環境效應與機理,并對國內該領域的研究做了展望。

  1、真空紫外輻照環境效應與機理

  1.1、國外真空紫外輻照環境效應

  國外主要是從理論出發,分析光子與材料相互作用的微觀機理,在此基礎上,從模擬試驗出發,應用不同的分析手段(光學顯微鏡、SEM、XPS、FTIR等)表征了材料的微觀損傷效應。如Grossman等對FEP在真空紫外作用下表面形態及質量變化進行了研究。結果表明,在真空紫外線作用下,FEP表面粗糙程度由原來的8 nm上升到14 nm。質損測試結果表明,真空紫外線僅對不含C-H鍵的聚合物造成質損,試驗結果是通過對聚乙烯(PE),聚氟乙烯(Tedlar)、乙烯-四氟乙烯共聚物(Tefzel)和氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)比較得到的。Haffke等研究了CV-1144-O有機硅共聚物的真空紫外輻照性能。CV-1144-O經過紫外輻照20 h即產生了明顯的光學常數變化。

  Dever等與Boeder等研究了真空紫外對硅橡膠性能的影響。詳細研究了真空紫外對DC93-500穿透深度的影響,及不同波長或不同強度真空紫外對DC93-500光學性能的影響。研究結果顯示,紫外輻照顯著降低了DC93-500的發射率,特別是波長在185 nm 以上紫外線的影響較大。185 nm以下真空紫外對DC93-500的穿透深度小于1 μm,而185~200 nm真空紫外線造成了硅橡膠的發射率急劇降低,穿透深度也達到了1~3 μm。Verkhovtseva 等[5]研究了PET 薄膜的真空紫外輻照性能。使用5~200 nm真空紫外輻照后,PET薄膜的拉伸強度和斷裂伸長率均輕微下降。隨VUV注量增加,PET 薄膜的吸光率顯著增加。使用XPS、FTIR及ESR測試發現,C-O斷裂發生脫羰反應,從而使分子鏈內苯環自由基密度增加,出現碳化趨勢或形成富碳態。自由基濃度增加造成了PET光學性能退化。Luey等[6]研究了雙組份污染膜的紫外光化學過程。

  研究表明,DC704和DOP雙組份污染膜在真空紫外輻照過程中出現了光聚合反應。Cheever等研究了紫外輻照DC704硅油對二次表面鏡ZOT涂層的污染效應。污染物使二次表面鏡的太陽吸收率αs由0.07升高至0.20,并隨輻照時間增加而增加。Miles等使用145 keV電子和紫外對陽極化氧化鋁熱控涂層進行了輻照。相比可見光和紅外區域,紫外輻射可對熱控涂層造成顯著損害。Keith等和Kazuyuki等研究了真空紫外對分子污染解吸性能的影響。主要研究了VUV強度和薄膜表面溫度對DEHP薄膜光分解與光固化性的影響。紫外輻照可使DEHP發生光聚合反應和光固化反應。在43.3 h的紫外輻照試驗中,在QCM上收集到光聚合反應生成凝結物的量為0.016 μg/cm2

  2、結語

  真空紫外輻照硅橡膠、聚酰亞胺等非金屬材料的穿透深度僅為微米級,光子能量集中作用在材料表面,使材料表面產生解吸與化學反應等過程,加劇了材料出氣,從而為航天器光學敏感表面造成了嚴重的污染效應。為此,國外NASA、ESA等機構已對真空紫外輻照污染效應及機理開展了多方面的研究,建立了材料出氣與污染物沉積模型,研究結果也與模擬試驗結果較吻合,同時也為設計師篩選材料提供一定的理論依據。而國內在該方面僅進行了一些常用空間材料的空間環境污染效應研究與材料損傷機理研究,尚未開展真空紫外輻照引起的材料出氣與污染物沉積方面的理論研究。

  真空紫外輻照非金屬材料可引起污染效應或增強效應。依據QJl558、Q/W776等標準測試出氣效應合格的材料在紫外輻照條件下有可能成為潛在污染源。因此,為了深入開展我國空間材料真空紫外輻照試驗,建立空間材料紫外輻照效應數據庫,為選取材料與研制新材料提供理論依據,提高航天器材料的設計水平與使用可靠性,開展真空紫外輻照環境效應及增強效應的模擬與預估研究是有必要的。


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