LEO原子氧剥蚀太阳电池阵Ag互连材料的试验研究

仇恒抗，杨 琴，朱亚雄，刘 智，贾 巍，池卫英，陆剑锋

（1.上海空间电源研究所，上海 200245；2.上海航天技术基础研究所，上海 201109）

0 引言

LEO 空间环境主要由N2、O2、Ar、He、H 和原子氧（AO）组成，其中原子氧的含量最高，大约占80%[1]。尽管原子氧的数密度很低（105～109/cm3），但当航天器在轨道中以7～8 km/s 的速度运行时，原子氧撞击航天器表面的能量约为5 eV，具有极强的氧化能力[2]。

对原子氧效应的地面模拟试验研究，国外始于20世纪80年代初期。在航天飞机的早期飞行中发现了原子氧对空间材料的严重侵蚀之后，NASA、ESTEC 及NASDA 等研究机构相继建立了数十台地面模拟器，并组织了相关的研究[3-4]。国内随着航天事业的发展，也开展了大量有关航天器原子氧效应及防护的地面模拟试验研究[5-7]。

太阳电池阵作为航天器的空间主电源，其电池电路完全暴露于空间环境中，对原子氧敏感的材料会直接影响到电池电路的性能。其中，Ag 互连材料极易被原子氧氧化、剥蚀，导致Ag 互连片厚度变薄最终失效，致使太阳电池阵寿命终止[8]。

本文依据原子氧剥蚀Ag 互连材料的机理，选取了约400km 高度轨道上1年时间内原子氧的累积通量作为最高剂量[9]，进行了原子氧剥蚀Ag 互连材料的地面模拟环境试验，根据试验结果简化计算出了Ag 互连材料的厚度损失率。该研究成果可为LEO 太阳电池阵原子氧防护设计提供技术支持。

1 剥蚀机理

由于Ag 材料的良好导电性，太阳电池阵组件之间的电连接多采用Ag 互连片。在LEO 高度,具有高化学活性的原子氧以8km·s-1的相对速度与太阳电池阵发生碰撞，使得Ag 互连材料表面与原子氧之间产生约4.5～5eV 的碰撞能量，其作用相当于4.8×104K 的高温[10]，这种罕见的高温氧化、高速碰撞对Ag 材料的侵蚀作用是非常严重的，使Ag 互连片的结构完整性受到破坏，失去其导电作用。多树旺等人[11]指出，Ag 在原子氧中的氧化分为两个阶段：在开始氧化过程中表面形成了一层较厚的Ag2O 膜；氧化过程的第二阶段为氧化膜顶层AgO 的形成。其机理为：当Ag 膜暴露在原子氧环境中时，原子氧与Ag 表面的非弹性碰撞一般会导致氧原子损失大部分能量，碰撞过程将引起中性氧原子和Ag 表面原子产生电离作用导致电子激发或者迁移。这些过程影响物质的化学活性，在Ag 原子和入射氧原子之间会形成化学键，在Ag 表面上导致Ag2O 形核和生长。Ag2O 的晶格空间要比块状Ag 大55%，二者的摩尔体积比约为1.53；当Ag2O 膜的厚度增加时，在氧化膜内会产生很大的生长应力，导致氧化膜的起皱、开裂和剥落。此时，基体Ag 膜又重新暴露在原子氧中，导致Ag 膜的进一步氧化。在整个氧化过程中，表面生成的Ag2O膜吸附氧原子，最终导致在氧化膜顶层Ag2O 转变为AgO。由于反应过程的循环进行，Ag2O 膜的生长和剥落重复进行，使得Ag 互连片逐渐变薄，最终断裂失效。

2 环境模拟试验

原子氧剥蚀太阳电池阵Ag 互连材料地面模拟环境试验是开展太阳电池阵原子氧防护技术研究的重要评价手段。本文依据原子氧剥蚀Ag 材料的机理，开展了有关试验。

2.1 试验设备及模拟参数

试验在同轴源原子氧模拟装置中进行，试验中原子氧通量为5×1015cm-2·s-1(1±10%)，累积通量最高达到6.0×1021cm-2（累积通量的对应序号见表1），模拟约400 km 高度轨道1年内原子氧的累积通量。

表1 试验中的原子氧累积通量 Table1 The cumulative flux of atomic oxygen in test

2.2 试验材料及过程

本次原子氧试验选取3 种共8 个样品进行试验分析，试样的具体规格及试验条件见表2。

表2 原子氧试验样品 Table2 The experimental samples for the AO test

试验按如下步骤进行：

1)试验前称量试样的质量；

2)将试样固定于试样架上；

3)将试样置于真空室，进行原子氧暴露试验；

4)每达到一定原子氧累积通量后，用精度为0.01mg 的Mettler 电子分析天平称量试件的质量；

5)按照试验条件依次循环，直至完成所有步骤的试验。

2.3 试验结果及分析

从外观上看，试验前样品表面光滑，有光泽（如图1）。

图1 试验前的样品外观 Fig.1 The samples before the experiment

试验后样品表面变成灰黑色，失去原有光亮的外观特征（如图2）。试样样品的质量数据见 表3。

图2 试验后的样品外观 Fig.2 The samples after the experiment

表3 Ag 互连片原子氧剥蚀试验结果 Table3 The mass loss results of Ag interconnectors under AO erosion

所有试验样品的质量变化曲线如图3～图5所示。可见，在本次试验中每个试样在宏观上都经历了2 个“氧化—剥落”的循环剥蚀过程：当原子氧的累积通量达到2.34×1020cm-2时，各个样件的质量第一次增至拐点，随后是氧化层的剥落；当原子氧的累积通量达到2.0×1021cm-2时，氧化层剥落后Ag 继续被氧化，生成的Ag2O 的表层也在发生氧化，导致氧化层厚度又开始逐渐增加，同时氧化膜逐渐起皱、开裂和剥落。各试样被剥蚀的厚度在本文第3 部分将进行简化计算。

图3 1# 样品质量变化曲线 Fig.3 The mass curves of 1# sample

图4 2# 样品质量变化曲线 Fig.4 The mass curves of 2# sample

图5 3# 样品质量变化曲线 Fig.5 The mass curves of 3# sample

3 剥蚀厚度的简化计算

3.1 剥蚀厚度公式推导

不考虑银在原子氧中氧化的第二阶段，即AgO的形成阶段，试验过程中Ag 互连片剥蚀厚度的简化计算推导如下。

试验前后试样的质量损失为Δm，根据银与原子氧反应生成氧化银的化学方程式

设m1为被氧化的银的质量，则m1与Δm的关系为

设被氧化的银的厚度为Δh，试样的表面积为s，银的密度为ρ，则m1=s×ρ×Δh，代入式(1)，得：

设银试样的初始质量为m0，初始厚度为h，则

由式(2)和式(3)可得

由于在装取、称量试样的过程中有少量氧化银脱落，实际厚度损失会比计算得出的厚度损失Δh略大。

3.2 剥蚀厚度的计算

由样品的质量变化曲线可知，本次试验各样品经历了两个阶段的氧化过程，结合具体的试验数据，利用剥蚀厚度的简化公式 Δh=13.5×Δm×h/m0，计算出各样件的剥蚀厚度如表4所示。

表4 Ag 互连材料试样厚度剥蚀结果 Table4 The thickness loss of Ag interconnectors under AO erosion

由计算结果可知：原子氧对裸露的Ag 材料剥蚀作用较强，且试样初始厚度越薄，平均质量损失率越大。因此，在既定原子氧通量及累积通量的情况下，提高Ag 材料的厚度，在一定程度上可增加其抗原子氧剥蚀的能力。

4 结束语

文章依据原子氧剥蚀Ag 互连材料的机理，开展了LEO 原子氧剥蚀Ag 互连材料的地面模拟环境试验研究，验证了原子氧对Ag 的作用在宏观上经历了两次 “氧化—剥落” 的循环剥蚀过程；同时结合简化推导的Ag 互连片剥蚀厚度计算公式，计算出了在既定的原子氧通量及累积通量下，厚度分别为17 、30、50 µm 的三种Ag 互连片的平均厚度损失率分别为41.8%、25.9%、8.9%。试验结果进一步证实了原子氧对Ag 材料有较强的剥蚀能力。对于低轨道、短寿命太阳电池阵，可通过增加互连片材料的厚度提高其抗原子氧剥蚀的能力；对于低 轨道、长寿命太阳电池阵，使用银互联片须采取一定的原子氧防护措施。

（References）

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