ITO/Kapton/Al薄膜材料空间微小碎片与原子氧综合作用试验研究

姜海富，曹 燕，李 宇，柴丽华

（1.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室, 北京 100094；2.北京工业大学 材料学院，北京 100124）

ITO/Kapton/Al薄膜材料空间微小碎片与原子氧综合作用试验研究

姜海富1，曹 燕1，李 宇1，柴丽华2

（1.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室, 北京 100094；2.北京工业大学 材料学院，北京 100124）

空间微小碎片与原子氧作用对带防护涂层材料的性能有较大影响。文章针对ITO/Kapton/Al薄膜进行了微小碎片与原子氧综合作用的试验研究。结果表明：微小碎片与原子氧作用后，薄膜表面损伤严重，质量损失明显；综合作用和单独碎片撞击造成材料太阳吸收比的退化程度一致；综合作用造成ITO/Kapton/Al表面In、Sn含量降低，C含量低于单独碎片作用样品。

微小碎片；原子氧；综合作用；太阳吸收比；薄膜；试验研究

0 引言

原子氧（atomic oxygen，AO）是低地球轨道主要的环境因素之一，会造成航天器暴露器件、材料性能的退化[1-2]。为阻止原子氧的侵蚀，星表材料一般会镀制原子氧防护涂层，但空间微小碎片撞击对防护涂层表面有破坏作用，可致使基底材料暴露，而原子氧与基底材料反应会影响星表材料的服役性能，甚至造成航天器的失效[3-4]。可见，对于带防护涂层的材料进行微小碎片与原子氧综合作用的研究是十分必要的。

本文以ITO/Kapton/Al薄膜二次表面镜为研究对象，开展微小碎片与原子氧顺序作用试验，分析ITO/Kapton/Al微小碎片与原子氧的综合环境效应，以期为其性能改进和优化提供基础数据。

1 试验方案

1.1 试验设备

碎片撞击试验在激光驱动微小碎片设备上进行，该设备可将µm量级碎片加速到最大10 km/s，并可利用激光非接触测量系统精确测量碎片速度[5]。原子氧试验采用部件级原子氧环境模拟设备，该设备采用微波放电等离子体中性化的方法产生原子氧环境。具体试验参数见表1。原子氧积分通量的选取以某卫星（轨道高度500 km，倾角97°）在轨1～3年迎风面遭受剂量为依据。碎片撞击次数为该卫星在轨1～3年间不同时期的最大撞击概率。

表1 微小碎片与原子氧试验参数Table 1 The parameters of micro-debris and AO test

1.2 试验方法

试验采用顺序作用的方式进行，先进行碎片撞击试验，再进行原子氧试验。采用 ITO/Kapton/Al为20 mm×20 mm的方形试样，由Kapton薄膜背面镀铝及正面镀氧化铟锡（InSnOx）透明导电膜组成。试验中 ITO面遭受碎片和原子氧的作用。试验后采用德国赛多利斯 ME215S高精度微量电子天平称量样品质量，量程0～210 g，精度10-5g；采用美国Perkin Elmer公司的Lambda 950型紫外-可见光-近红外分光光度计测量ITO/Kapton/Al薄膜的光谱反射系数，波长范围 0～2500 nm；采用德国SUPRA55扫描电镜观察样品表面形貌，加速电压15 kV；采用VG ESCALAB MKⅡ X射线光电子能谱仪分析样品表面成分的变化。

2 结果与讨论

2.1 质量损失

表2给出了ITO/Kapton/Al薄膜在碎片撞击试验后以及碎片/原子氧顺序作用试验后的质量变化情况，其中，括号内数值为质量损失。

表2 试验前后ITO/Kapton/Al质量变化Table 2 The mass variety of ITO/Kapton/Al before and after the micro-debris and AO test

从表2可以看出，碎片撞击后，ITO/Kapton/Al薄膜表现出较为明显的质量损失，说明碎片撞击对材料表面产生了破坏作用；而碎片撞击后的样品再经原子氧辐照试验，材料质量继续下降，质量损失相比碎片撞击试验后又有所增大。

2.2 光学性能

试验后对ITO/Kapton/Al薄膜的光谱反射系数进行了测试，如图1所示。从图中可以看出：

1）试验前ITO/Kapton/Al薄膜在250～450 nm波长区间反射系数低于30%；在可见光区的反射系数急剧增加到70%～80%；900 nm以后随波长的增加，反射系数逐渐稳定在90%左右。

2）试验后，样品的光谱反射系数发生了明显的衰减，主要集中在可见光及近红外区域。

3）对于碎片撞击样品，随着撞击次数的增加，样品光谱反射系数整体上发生了退化。这是由于碎片撞击造成材料表面 ITO膜层的破坏，撞击位置Kapton暴露，增加了可见光和近红外波段的光学吸收。

4）将已经进行碎片撞击试验的样品再进行原子氧辐照试验，光谱反射系数变化不明显，表明原子氧作用对碎片撞击后样品的光学性能影响较小。

图1 试验前后ITO/Kapton/Al光谱反射系数Fig.1 The spectral reflectance of ITO/Kapton/Al before and after the micro-debris and AO test

根据光谱反射系数测试结果，对 ITO/Kapton/ Al薄膜的太阳吸收比进行了计算，具体结果如表3所示。可以看出，碎片撞击试验后样品太阳吸收比有不同程度的增加；再遭受原子氧辐照后，样品的太阳吸收比与只受到碎片撞击的样品基本一致。

表3 试验前后ITO/Kapton/Al太阳吸收比Table 3 The solar absorptance of ITO/Kapton/Al before and after the micro-debris and AO test

2.3 表面形貌

试验后，采用扫描电子显微镜观察了样品 C表面形貌的变化，如图2所示。可以看出，试验前，样品表面较为光滑平整，而碎片撞击对材料表面造成了严重的损伤，材料表面出现了尺寸1 mm左右的大面积的破坏区域（见图2(b)）。碎片撞击后的样品再经原子氧的作用，材料表面损伤更加严重，有些局部暴露的Kapton薄膜已被完全剥蚀掉（见图2(c)）。对于带防护涂层的聚合物材料，当防护涂层破坏位置直径较小（几十µm以内）时，经微小碎片与原子氧综合作用后，材料会发生“潜蚀”效应[6-7]。但当防护涂层破坏位置直径较大（几百µm以上）时，防护涂层失去了对基底材料的保护作用，原子氧侵蚀区域则较为平坦，无“潜蚀”空腔状形貌[8]，这与本文的研究结果类似。

图2 试验前后表面形貌变化（样品C）Fig.2 Surface micrographs of ITO/Kapton/Al before and after the micro-debris and AO test

2.4 XPS分析

图3为碎片与原子氧顺序试验前后样品 XPS图谱。表4为ITO/Kapton/Al顺序试验前后的表面成分变化。从XPS成分分析结果可以看出，单独碎片撞击后样品表面成分发生了变化，In、Sn元素含量明显降低，说明样品表面碎片撞击区域InSnOx薄膜已经发生严重破坏；同时检测到N1s峰，表明Kapton薄膜已经暴露于样品表面。对碎片撞击后的试验样品继续进行原子氧试验后，C元素含量呈降低趋势，说明原子氧与暴露的Kapton薄膜发生了反应。

图3 试验前后ITO/Kapton/Al XPS图谱Fig.3 XPS results of ITO/Kapton/Al before and after the micro-debris and AO test

表4 原子氧/碎片顺序作用试验前后样品表面成分变化Table 4 Surface composition of ITO/Kapton/Al before and after the micro-debris and AO test

3 结论

1）微小碎片撞击后，ITO/Kapton/Al薄膜的表面发生破坏，随撞击次数的增加，质量损失增大，光谱反射系数整体上发生了退化，且In、Sn含量明显降低。

2）微小碎片撞击后再经原子氧作用，ITO/ Kapton/Al薄膜的表面损伤更加严重，质量损失进一步增大，但光谱发射系数变化不明显，C元素含量呈降低趋势。

3）总结微小碎片与原子氧对 ITO/Kapton/Al薄膜的综合环境效应，发现质量损失变化较为显著，说明失去ITO保护的Kapton薄膜与原子氧反应充分；而光谱发射系数变化不明显，说明光学性能的变化主要是表面 ITO造成的，与撞击位置暴露的Kapton薄膜原子氧损伤效应关联性不强。

（References）

[1]曹飞, 程健, 潘泽跃, 等.用于原子氧地面模拟设备精密压控恒流源[J].强激光与粒子束, 2015, 27(8): 082002(1-6) CAO F, CHENG J, PAN Z Y, et al.Precision voltage-controlled constant current source for atomic oxygen ground simulation equipment[J].High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27(8): 082002(1-6)

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[6]GROH K K D, BANKS B A.Atomic-oxygen undercutting of long duration exposure facility aluminized-Kapton multilayer insulation[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 1994, 31(4): 656-664

[7]BANKS B A, SNYDER A, MILLER S K.Atomicoxygen undercutting of protected polymers in low earth orbit[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2004, 41(3): 335-339

[8]李涛.近地空间原子氧对有保护层 Kapton材料侵蚀效应数值模拟研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2005

（编辑：许京媛）

The combined effect of space micro-debris and atomic oxygen on ITO/Kapton/Al film

JIANG Haifu1, CAO Yan1, LI Yu1, CHAI Lihua2
(1.Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China; 2.School of Materials Science & Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The space micro-debris and the atomic oxygen (AO) have great impact on the spacecraft materials with protective coatings.This paper focuses on the combined effect of micro-debris and AO on the ITO/Kapton/Al film by test.The results indicate that the ITO/Kapton/Al film is damaged seriously and has an obvious mass loss after the combined test.The change of the solar absorptance is similar in the case of the combined test and the micro-debris impact only.The composition of In and Sn is decreased, and the C content sees a downtrend compared with the single micro-debris impact test result.

micro-debris; atomic oxygen; combined effect; solar absorptance; film; test study

TG174.3+2; V416.5

：A

：1673-1379(2016)05-0530-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.013

姜海富（1980—），男，博士学位，高级工程师，主要从事空间环境模拟及评价技术研究。E-mail: haifujiang@163.com。

2016-04-27；

：2016-09-13

国家国防科工局技术基础科研项目（编号：JSJC2013203B002）