空间太阳近紫外辐照对ACR-1白漆表面导电性能的研究

牟永强，沈自才

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

空间太阳近紫外辐照对ACR-1白漆表面导电性能的研究

牟永强，沈自才

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

通过试验研究了近紫外辐照对ACR-1白漆电学性能的影响，并用X射线光电子能谱仪和四极质谱仪对ACR-1白漆的组分和状态等进行了分析，进而对其电学性能变化的机理进行了分析。研究发现：ACR-1白漆的表面电阻率随着近紫外辐照度的增加而呈指数规律减小，并在大气环境中存在“回复”效应；氧化锌的分解、吸附氧的减少和氧空位的增多是近紫外辐照后ACR-1白漆表面电阻率减小的主要原因。

近紫外辐照；防静电；热控涂层；电学性能

0 引言

热控涂层是航天器热控系统的重要组成部分，是利用涂层改变航天器的表面热物理性质，以便在辐射热交换中有效地控制航天器的温度，使之在内外热交换过程中仪器、设备的工作温度不超过或低于允许范围，以保证人造天体的正常工作环境。其原理是调节物体表面的太阳吸收比αs和红外发射率εh来控制物体的热平衡[1]。

地球同步轨道（GEO）环境中存在的地磁亚暴环境有严重的充放电效应，极地轨道的沉降电子会造成电荷在卫星表面热控涂层上积累，当超过击穿阈值时，卫星表面将发生放电，这将对卫星产生极大的破坏作用[2]。由于卫星外表面大部分被用于温控的热控涂层所覆盖，所以可以通过提高热控涂层的导电性能来达到防静电的目的，如在镜反射热控涂层外表面镀一层氧化铟锡透明导电薄膜、在涂料型热控涂层中添加导电组分等。具有导电性能热控涂层也被称为防静电热控涂层。

ACR-1白漆是一种新型的白色防静电涂层，采用表面包覆工艺将氧化锌分散于含有重金属离子的水溶液中，经过滤烘干后在一定的温度下烧结，得到防静电的氧化锌颜料；然后按一定的颜基比加入AC丙烯酸树脂溶液和溶剂，采用球磨工艺将涂料的细度研磨后喷涂到卫星天线等表面上。因此具有较强的结合力和可修补性，适于大面积喷涂[3]。

试验研究了，太阳近紫外辐照对防静电ACR-1白漆的电学性能的影响，并对其性能退化的原因和机理进行了研究。

1 辐照试验

试验是在北京卫星环境工程研究所的空间综合环境设备上进行。试验所用近紫外源为汞氙灯光源，利用太阳模拟器辐照装置，具体试验参数如表1所列。

表1 真空近紫外辐照试验参数表

表面电阻率采用原位测量[4]，装置测量原理如图1所示。用GENESIS 60S型X射线光电子能谱仪（XPS）对ACR-1白漆的组分进行了分析，用TSPTT 200型四极质谱仪对辐照前后的涂层放气情况进行了研究。

图1 表面电阻率原位测量原理图

2 试验结果及分析

2.1 表面颜色

将辐照前后的ACR-1白漆的表面颜色进行对比发现，近紫外辐照500 ESH后，白漆表面颜色由白色变为淡黄色。

2.2 电学性能分析

ACR-1白漆的初始表面电阻率（SR）为5.3× 109Ω/□。在不同近紫外曝辐量下，对ACR-1白漆的表面电阻率进行原位测量，结果如表2所列。在近紫外辐照500 ESH后，分别在7.6×10-4Pa、59 Pa、大气状态和在大气状态下40 min后对ACR-1白漆进行表面电阻率测试，试验结果如图3所示。

表2 不同近紫外曝辐量时ACR-1白漆的表面电阻率

对ACR-1白漆的太阳近紫外辐照表面电阻率进行拟合分析，如图2所示。其拟合关系为公式（1）。

式中：χ为近紫外曝辐量，ESH；y为表面电阻率，Ω/□。

由图2及公式（1）可知，ACR-1白漆的表面电阻率随着近紫外曝辐量的增加而呈指数规律减小，并逐渐趋于稳定。

图2 ACR-1白漆的近紫外辐照表面电阻率变化

由图3分析可知，样品从真空状态进入大气状态后，表面电阻率升高，当在大气环境中放置一段时间后，表面电阻率进一步升高。

3 机理研究

3.1 质谱分析

为研究空间太阳近紫外辐照对ACR-1白漆电学性能的影响，对ACR-1白漆的近紫外辐照Zn放气情况进行质谱监测研究，本底和放入ACR-1白漆后的近紫外辐照质谱监测图谱如图4和图5所示。

图3 ACR-1白漆近紫外辐照后表面电阻率变化

图4 本底近紫外辐照Zn出气质谱图

图5 ACR-1白漆近紫外辐照Zn出气质谱图

3.2 XPS分析

为进一步验证近紫外辐照后ACR-1白漆中Zn的存在形式，对近紫外辐照前后的ACR-1白漆进行XPS分析，其Zn2p3谱峰图分别如图6和图7所示。

图7分析可知，Zn2p3谱峰图中1 021.82/1 021.81表示以Zn的形式存在，其他谱峰均是ZnO的存在形式。因此，近紫外辐照后，以Zn形式存在的百分含量由14.82%增加到22.35%，对应的以ZnO形式存在的Zn的总百分含量由85.18%降低到77.65%。这说明有部分ZnO在近紫外辐照后有O解析出来，这将增加氧空位的含量。

图6 辐照前ACR-1白漆Zn2p3能谱图

图7 近紫外辐照后ACR-1白漆Zn2p3能谱图

为研究O元素的存在形式对ACR-1白漆电学性能的影响，对近紫外辐照前后ACR-1白漆的O元素进行XPS测试分析，其O1s谱峰分别如图8和图9所示。对图8和图9分析可以看出，辐照前后薄膜表面的氧的O1s_a峰和O1s_b峰分别对应于缺氧状态和足氧状态，缺氧状态意味着白漆中氧空位的数目。近紫外辐照后，缺氧状态O1s_a峰面积绝对值增加，这说明氧空位数目增加。

3.3 机理研究

ACR-1白漆之所以具有导电性能，这是由于白漆中的ZnO是一极性半导体，具有纤锌矿型晶格结构，氧离子以六角密堆方式排列，锌离子占据了一半四面体的间隙位置，且其排列关系与氧离子相同。由于本征缺陷的存在，使ZnO具有N型电导。

由质谱分析和XPS分析可以知道，在近紫外辐照后，ACR-1白漆内有Zn元素释放出来，这说明在近紫外辐照下，ACR-1白漆中的ZnO颜料发生分解。ZnO颜料分解方程如公式（2）和（3）。

图8 辐照前ACR-1白漆O1s能谱图

图9 近紫外辐照后ACR-1白漆O1s能谱图

氧化锌的分解，使O从材料中游离出来，同时可能产生填隙Zn原子，并造成白漆表面锌富集，这是在近紫外辐照后，白漆表面颜色由白色变为淡黄色的原因；另一方面，氧化锌同时也产生自由电子，从而使表面电阻率降低，导电性能增强。

氧化锌中，正负离子均具有封闭壳层的电子组态，氧化锌的能带由O2--满的2p能级和Zn2+空的4s能级组成。当离子相互靠近形成晶体时，这些能级就形成能带：O2-满的2p能级构成价带，Zn2+空的4s能级构成导带。氧化锌中存在着氧空位本征缺陷，氧空位直接同白漆中的载流子浓度数量相关[5-6]。一个氧空位提供2个自由电子并在能带结构中引入施主杂质能级。在近紫外辐照下，价带电子获得能量发生跃迁，部分跃迁的价带电子到达导带，成为自由电子，这是近紫外辐照后表面电阻率降低、导电性能变好的另一个原因。

当将近紫外辐照后的ACR-1白漆逐渐回复到大气状态中后，ZnO表面将发生对氧的吸附，氧分子将与晶粒表层的电子相结合而带负电，其反应可用公式（4）和（5）表示：

ZnO表面对氧的吸附将引起其内部自由电子的减少，从而引起ACR-1白漆表面电阻率的增加，导电性能变差。

4 结论

通过试验研究了空间太阳近紫外辐照对ACR-1导电白漆表面导电性能的影响，经机理分析，可以得出以下结论：

（1）近紫外辐照引起ACR-1白漆中ZnO的分解，白漆表面颜色逐渐加深；

（2）近紫外辐照后ACR-1白漆的导电性能得到改善，其表面电阻率随着近紫外曝辐量的增加而呈指数规律降低；

（3）ACR-1白漆在近紫外辐照结束至重新暴露大气过程中存在一定的“回复”效应，其表面电阻率随着环境气体压力和时间的增加而增大；

（4）吸附氧的减少ZnO的分解和氧空位的增多是近紫外辐照后ACR-1白漆表面电阻率降低、导电性能改善的主要原因。

[1]闵桂荣.卫星热控制技术[M].北京：宇航出版社，1991：138-173.

[2]Garrett H B，Whittlesey A C，Stevens N J.Design guidelines for assessing and controlling spacecraft charging effects[M]. National Aeronautics and Space Administration，Scientific andTechnical Information Branch，1984：2361.

[3]曾一兵，罗正平，李颖，等.防静电白色热控涂层的耐空间环境及工艺性能[J].宇航材料工艺，2007，37（6）：21-24.

[4]全国绝缘材料标准化技术委员会，GB1410-1989，固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法[S].广西：桂林电器科学研究所，1990.

[5]FanJCC，GoodenoughJB.X-ray photoemission spectroscopy studies of Sn doped indium oxide films[J].Journal of Applied Physics，1977，48（8）：3524-3531.

[6]陈猛，裴志亮，白雪冬，等.ITO薄膜的XPS和AES研究[J].材料研究学报，2000，14（2）：173-178.

SPACE SOLAR NEAR UV IRRADIATION EFFECT ON THE ELECTRICAL PROPERTY OF ACR-1 WHITE PAINT

MOU Yong-qiang，SHEN Zi-cai
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

In this article，we have test studied space solar near ultraviolet（UV）irradiation effect on the electrical property of ACR-1 white paint，and analyze the component and micromechanism of ACR-1 white paint by X-ray photoelectron spectrograph and quadrupole spectrometre，at last，discussed the electrical property change mechanism of ACR-1 white paint.Conclusion：the surface resistivity of ACR-1 white paint decreases with near ultraviolet irradiation，and has back effect in some extent when it returns in atmosphere.Decompose of ZnO，decrease of adsorb Oxygen and increase of oxygen vacancy are main causation of decrease of surface resistivity ofACR-1 white paint under near ultraviolet radiation.

near ultraviolet irradiation；antistatic；thermal control coating；electrical property

V443文献识别码：A

1006-7086（2014）06-0328-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.005

2014-09-15

国家自然科学基金：41174166,51273052

牟永强（1980-），男，山东烟台人，工程师，从事空间辐射效应及空间碎片超高速撞击技术研究。

E-mail：mouyongqiang511@163.com