模拟月尘颗粒真空辐射条件下粘附力测试技术研究

王志浩，白羽，田东波，李蔓

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

美国在1969—1972年间先后完成了6次载人探月任务，所有到达过月面的宇航员都发现月尘带来的麻烦远远超出了想象。其中最显著的问题是月尘颗粒具有超强的粘附性，附着并污染表面，造成热控系统故障、密封失效和机构卡死，磨损材料以及产生放电干扰。研究月尘粘附特性，确定月尘颗粒与材料间的粘附力，是研究月面月尘效应进而采取防护措施的基础性关键问题。

国外研究表明，月表的高真空度和辐射环境是导致月尘具有极强粘附性的重要原因。Adrienne Dove等[1]分析了月尘颗粒受到的范徳华力和静电力，认为表面能、粗糙度、力学和电学特性是影响颗粒粘附的主导因素。Otis R.Walton[2]较详细地分析了月尘的粘附特性，从月尘物理特性入手分析了月面条件下作用于颗粒的基本力，认为表面能相关的粘附力（范徳华力）以及静电力是构成颗粒粘附力最重要的基本力。Cynthia M.Katzan等[3]详细分析了月面自然及人为活动条件下月尘输运及沉积的量，在此基础上分析了辐射器及太阳电池在月尘粘附条件下的遮蔽效应。Stephen Berkebile等[4]研究了真空条件下火山玻璃与航天器材料之间的粘附力，认为粘附性主要是由于静电吸引和较高表面能作用引起。

月尘的粘附性一方面是由于月尘颗粒自身的物理特性（粒径、表面形貌和低电导性），另一方面是由于月表特殊的环境，主要是高真空和辐射环境，导致月尘累积并保持电荷而产生的。因此在地面测试模拟月尘颗粒需要考虑真空辐射环境，只有在真空辐射环境下测试颗粒粘附力，才能较为接近地反映月表月尘粘附的特性。

1 颗粒粘附力测试技术对比分析

为研究适用于模拟月尘颗粒粘附力测试方法，分析调研了大气条件下颗粒物粘附力的测试方法，包括原子力显微镜（AFM）测试方法、离心测试方法、静电测试方法、振动分离测试方法、激光测试方法。在此基础上分析确定上述测试方法是否适用于真空辐射环境。

1）AFM测试方法。基本的测试原理是将颗粒固定在AFM的探针上，精确控制颗粒与平板材料之间的距离，受粘附力的作用，探针悬臂会发生形变，利用激光测试的方式可以测量探针悬臂的偏移量。AFM测试获得力与位移的变化曲线如图1所示[5]。文献[6]利用AFM测试方法测试了飞灰颗粒与石墨表面间粘附力的变化规律，为此特意对探针进行了处理：利用一根玻璃微针将环氧树脂胶粘到AFM原有金字塔针尖靠内的一侧，然后用另一根微针粘取事先分散好的飞灰颗粒，将其放置到胶上。

图1 使用AFM颗粒附着力测量示意Fig.1 Schematic view of grain adhesion force test using AFM

2）离心测试方法。基本原理是使颗粒及所粘附的平面材料一起旋转，在旋转过程中，材料表面粘附的颗粒会受到离心力的作用。随着转速的逐渐增大，离心力也随之增大，当离心力能够满足克服粘附力脱离时，粘附颗粒会脱离甩出，根据此时的转速可近似计算得到颗粒粘附力。文献[7]给出了一种离心法测试颗粒粘附力的测试装置，如图2所示。该试验装置包括连接筒（A）、基底材料（B，表面粘附颗粒物质）和分离颗粒限位筒。试验时，逐渐提高转速，到达临界值时，基底材料上的颗粒会脱离并掉落进入分离颗粒限位筒中。

图2 离心测试装置Fig.2 Device of centrifuge test

3）静电测试方法。基本原理是将带电颗粒置于均匀电场中，根据颗粒带电极性合理设置电场极性，使颗粒受到垂直向上的电场力。逐渐增大电场强度到一定值，使颗粒所受电场力能够克服重力和粘附力，此时颗粒垂直向上运动。文献[8]给出了一种静电法测试颗粒粘附力的测试装置，如图3所示。平行电极板提供均匀电场，表面粘附颗粒的材料水平放置于下电极上，逐渐增加两极板间电压到临界值时，颗粒克服粘附作用，材料向上极板运动。众多颗粒运动产生的电流的流动情况可以通过电流计测量，微弱的电流信号可通过放大调理电路最终得到颗粒黏附力。

图3 静电测试装置Fig.3 Device of electrostatic test

4）振动分离测试方法。基本原理是控制颗粒及所粘附的平面材料一起做加速运动，当加速度达到某一临界值时，颗粒会由于惯性脱离平板材料，根据此时的加速情况可间接衡量颗粒平板间的粘附力。文献[9]给出了一种振动分离法测试颗粒粘附力的测试系统，如图4所示。该试验系统包括测试试样（表面粘附有颗粒的平板材料）、振动台、加速度测试装置、摄录装置及其他辅助设备。试验时通过计算机控制振动台做加速运动，同时利用摄录装置记录颗粒的运动情况。试验完成后，分析处理图像资料获得颗粒脱离基底的准确时间，再查找确认该时刻振台的加速度即可计算得到颗粒粘附力。

图4 振动分离测试系统Fig.4 Schematic view of vibration detachment system

5）激光测试方法。基本原理是使用脉冲激光照射颗粒，颗粒受到瞬时的光压力。当光压力能够克服颗粒粘附力时，颗粒会发生运动，可根据颗粒运动时刻的脉冲激光光压来间接衡量颗粒粘附力。文献[10]给出了一种激光测试颗粒粘附力的测试系统，如图5所示。试验系统包括激光器、样品盒（内有玻璃材质的球形颗粒）、摄录显微系统、激光能量计及辅助设备组成。试验时从激光器出来的脉冲光入射到样品上，产生的强大光压可以克服样品和底面的粘附力，光路中的石英玻璃片分出一束光，用来监测脉冲光的能量。在样品盒上方用一物镜配合CCD组成一套显微系统，并连接到计算机以监测衬底表面样品的分布情况。

图5 激光测试系统Fig.5 Schematic view of laser test system

对上述测试方法是否适用于真空辐射环境进行总结分析，其中AFM测试法需在悬臂梁尖端固定颗粒，工艺要求高，颗粒与平面材料间的距离为设定值，不能反映颗粒与材料接触的真实情况；另外AFM为成品仪器设备，很难在测试的同时提供真空辐射环境。离心法在高速旋转的条件下记录和判断颗粒的脱离较困难，所需处理数据量大，对于粒径太小的颗粒，离心力可能不足以克服粘附力作用，另外离心法所用设备存在旋转机构，在真空条件下无法提供全向辐射。采用静电法测试粘附力时，被测颗粒必须带电，文献[8]的测试系统中的电流计仅能测量运动电荷携带的部分电荷，且颗粒带电量未知，无法仅根据电压值解算粘附力。振动分离法对于粒径太小的颗粒，加速惯性可能不足以克服粘附力作用，也很难在真空辐射条件下实施。激光测试法对光路调节要求较高，同样难以在真空辐射条件下实施。

通过对上述测试方法的分析，发现已有测试手段并不适用于真空辐射条件下的颗粒粘附力测试，因此需有针对性地开展研究工作。

2 基于静电场下颗粒运动的粘附力测试方法

2.1 测试原理

鉴于静电法测试颗粒粘附力的主要难点是无法确定颗粒带电电量Q，因此需要通过必要的方法，联立求解粘附力Fa和Q。文献[11]给出了一种基于静电场条件下颗粒运动的粘附力求解方法，基本原理如图6所示。

图6 测试原理Fig.6 Principle of the test

如图6所示，将一个带电量为q的颗粒置于一对平行板电极的下电极上，在上下电极之间加载电压产生均匀电场E，则颗粒受到垂直向上的电场力FE，此外颗粒还受到重力G和粘附力Fa的作用，受力情况如图6中实线颗粒所示。缓慢提升加载电场，则必然存在某个时刻t0，此时电场力FE等于粘附力Fa与颗粒重力G之和。t0时刻之后，由于电场力大于粘附力，颗粒向上运动。随着颗粒与平板材料的脱离，粘附力急剧减小，可以认为此时颗粒仅受重力G和电场力FE的作用，做恒定加速度运动，受力情况如图6中虚线颗粒所示。假设在t0+t1时刻，颗粒运动至上极板位置，由于两个极板之间的距离d衡定，根据经典力学定律可计算得出颗粒带电量q和粘附力Fa，如式（1），（2）所示。

式中：m为颗粒质量；U为t0时刻的外加电压。

由式（1）和式（2）可知，m，d，G值很容易获得，U为外加电压值，可直接读取，因此测试的关键就变成了对颗粒运动时间t1的测量。拟通过高速摄像机记录颗粒的运动过程，从中提取并计算颗粒的运动时间t1。

2.2 测试技术方案

利用北京卫星环境工程研究所的月尘沉积与吸附试验系统，配合真空内颗粒粘附力测试装置进行测试，试验系统如图8所示。试验系统由真空容器、真空测量装置、高压电源、高速摄录系统、辐射源及配套电源、样品台及测试装置组成。试验时将测试装置放置在真空容器内的样品台上，使用辐射源辐照测试装置内的模拟月尘颗粒，逐渐调高测试装置电压，利用观察窗外的高速摄录系统拍摄颗粒的运动情况。

图7 测试系统Fig.7 Schematic view of the test system

图8 真空辐射条件下颗粒粘附力测试装置Fig.8 Device schematic of grain adhesion force test in vacuum and radiation conditions

设计的真空内测试装置如图8所示，试验装置由上电极板、下电极板、载尘板、支撑柱以及电极接线端子组成。支撑柱选用绝缘材料，真空室外的高压电源通过穿真空法兰连接在上下电极接线端子上。需要说明的是，如果要测试的平面材料为导体，则直接使用该导体材料按照指定的工艺加工下电极。如果需要测试的平板材料为绝缘体，则需要紧贴绝缘体放置板状导体电极，此时计算电场大小时需考虑电介质厚度。

测试基本过程：首先将颗粒试样放置在下电极上/载尘板上，连接真空容器内外线缆之后关闭真空容器，打开真空获取装置直到指定真空度；调节紫辐射源以指定的方式使颗粒试样带电；以非常缓慢的速度调高压电源，同时开启高速摄录装置进行拍照或者摄像；记录颗粒发生运动时刻的电压U，根据捕捉到的颗粒运动图像计算颗粒的运动加速度，根据式（1）和式（2）即可得颗粒平面材料间的粘附力以及颗粒荷电电量。

3 结语

针对真空辐射条件下测试颗粒粘附力的需求，分析调研了5种大气条件下颗粒物粘附力的测试方法，对其在真空辐射下条件下的适用性进行了讨论。分析结果表明，现有测试方法并不适用于模拟月尘颗粒的粘附力测试。文中设计了基于真空辐射条件下颗粒物运动的粘附力测试方法，能够较为简便地给出颗粒粘附力和带电量的数值。结合测试特点，设计了初步的测试方案，给出了试验系统和真空内测试装置的初步设计，后续将开展进一步的分析测试工作。

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