原子氧作用下导电黑膜性能退化研究

张剑锋，郭　云，杨生胜

（兰州空间技术物理研究所 a.真空技术与物理重点实验室；b.空间环境材料行为及评价技术重点实验室，兰州　730000）

原子氧作用下导电黑膜性能退化研究

张剑锋a，郭云b，杨生胜a

（兰州空间技术物理研究所 a.真空技术与物理重点实验室；b.空间环境材料行为及评价技术重点实验室，兰州730000）

原子氧环境是影响低地球轨道（LEO）航天器材料性能的主要空间环境因素之一，其强氧化性能够对材料造成危害。镀膜型导电黑色聚酰亚胺薄膜（简称导电黑膜）具有良好的消杂光和防静电特性，是常用的卫星天线和整星表面的防护材料。本文通过开展国外替代产品导电黑膜原子氧模拟实验，研究原子氧作用下导电黑膜的性能退化。初步探索了我国导电黑膜低轨原子氧环境适应性，为我国导电黑膜低地球轨道应用提供建议。

导电黑膜；原子氧；性能退化

0　引言

镀膜型导电黑色聚酰亚胺薄膜（简称导电黑膜）在国外卫星上广泛使用，现已普遍用于卫星天线背面的消杂光，消除或避免各种杂散光对成像系统和传感器的干扰；同时也可以减小大型天线的热变形，保障天线的外形尺寸稳定，进而使天线的性能得以保证；另外由于其良好的防静电特性，也可以应用在整星多层隔热材料的外表面，以提高航天器的防静电能力。

原子氧是低地球轨道残余大气的主要成分，化学性质非常活泼，能够对低地球轨道航天器表面材料产生剥蚀效应，使材料的机械、光学性能、电学性能等发生改变，从而影响材料的使用寿命。当导电黑膜处于原子氧环境中，导电黑膜会受到空间原子氧的剥蚀作用，导致膜厚减薄，导电性能降低，光学性能（透过率、反射率、发射率等）变化，影响其性能。

开展导电黑膜原子氧模拟实验，研究原子氧作用下的导电黑膜性能退化规律，可为导电黑膜空间适应性和低轨应用提供技术基础。

1　实验

试验采用微波原子氧/紫外模拟实验（同轴源原子氧）设备进行导电黑膜原子氧模拟实验，原子氧通量密度设置为1×1016atoms/cm2·s（±10%），原子氧总累积通量为3.5×1021atoms/cm2，设置8个测试点，当达到相应的累积通量时，按要求对导电黑膜的太阳吸收比、半球发射率、表面电阻率和质量进行测量。

1.1实验材料

本实验针对镀膜型导电黑色聚酰亚胺薄膜，导电黑膜是在黑色聚酰亚胺表面镀氧化铟锡，底面镀铝的复合结构材料。实验前将导电黑膜试样切成40 mm×40 mm的方形片，并用无水乙醇对试样表面进行超声清洗5 min。

1.2实验设备

实验设备采用兰州空间技术物理研究所自研的微波原子氧/紫外模拟实验（同轴源原子氧）设备。该设备可以进行原子氧单、紫外因素模拟实验及原子氧与紫外协和效应模拟实验，不仅能够定性的描述低地球轨道原子氧的能量、束流密度和环境粒子对材料性能的影响，而且能够定量的描述原子氧的能量和束流密度，能够比较准确地模拟低地球轨道空间原子氧环境，是目前国际上比较先进的地面模拟实验设备。实验中采用国际通用标准，使用标准kapton HN薄膜试样的质量损失来测量原子氧的束流密度，如图1所示。

图1　微波原子氧/紫外模拟试验设备结构原理图

微波原子氧/紫外模拟实验设备工作的基本原理：由微波等离子体同轴源产生频率为2.45 MHz、功率为150～1 500 W可调的微波能量，并将微波能量耦合。在微波能量的作用下，氧气被离解为氧等离子体（O2+、O+、e等），并在磁场的约束作用下，可形成1012～1013cm-3的高密度氧等离子体。中性化板加负偏压，加速等离子态中的氧离子（O+），使其获得定向能量。氧离子（O+）入射到中性化板上并从中得到电子，复合成中性氧原子（O++e=O）。中性氧原子保留入射能量的大部分，形成一束中性原子氧束。

1.3实验参数设置

（1）本底真空1.3×10-3Pa；（2）原子氧实验时，真空保持在3.0×10-1Pa；（3）原子氧通量密度：1× 1016atoms/cm2·s（±10%）；（4）原子氧累积通量分别为 5.0×1020atoms/cm2、1.0×1021atoms/cm2、1.5× 1021atoms/cm2、2.0×1021atoms/cm2、2.5×1021atoms/cm2、3.0×1021atoms/cm2、3.5×1021atoms/cm2；（5）原子氧能量：5～8 eV。

1.4实验步骤

对设备进行清洗，保证设备正常工作时的清洁，标定原子氧通量密度为Ф=1×1016atoms/cm2·s（±10%），用Kapton HN测定氧等离子体的等效通量密度为1.08×1016atoms/cm2·s，标定完毕后，固化实验条件，将试样置于真空室中，进行原子氧辐照实验。

1.5宏观性能测试

实验分别达5.0×1020atoms/cm2、1.0×1021atoms/ cm2、1.5×1021atoms/cm2、2.0×1021atoms/cm2、2.5× 1021atoms/cm2、3.0×1021atoms/cm2、3.5×1021atoms/ cm2原子氧累积通量时，停止实验，取出样品，并按要求对试样的太阳吸收比、半球发射率、表面电阻率和质量进行测量。

2　实验结果与讨论

通过对不同原子氧累积通量下太阳吸收比、半球发射率、表面电阻率和质量损失试验数据的对比分析和计算，拟合其相应变化曲线，总结导电黑膜性能变化规律。

2.1太阳吸收比

采用SSR-E型太阳光学反射计测试不同原子氧累积通量下导电黑膜的太阳吸收比，导电黑膜的太阳吸收比测试结果如表1所列。对原子氧作用下的导电黑膜的太阳吸收比变化规律进行拟合，可得到太阳吸收比变化曲线，如图2所示，可以看出随着原子氧累积通量增加导电黑膜太阳吸收比缓慢变大，增加总量为0.008。

表1　原子氧作用下太阳吸收比测试数据

图2　原子氧作用下导电黑膜太阳吸收比曲线图

2.2半球发射率

采用AE型材料热发射特性测试仪测试不同原子氧累积通量下导电黑膜的半球发射率，导电黑膜的半球发射率测试结果如表2所列。通过原子氧作用下的导电黑膜的半球发射率变化曲线，如图3所示，可以看出导电黑膜半球发射率随原子氧累积通量增加无较大变化。

表2　原子氧作用下半球发射率测试数据

图3　原子氧作用下导电黑膜半球发射率曲线图

2.3表面电阻率

采用4339B型表面电阻率测试仪测试不同原子氧累积通量下导电黑膜的表面电阻率，导电黑膜的表面电阻率测试结果如表3所列。对原子氧作用下的导电黑膜的表面电阻率变化规律进行拟合，可得到表面电阻率变化曲线，如图4所示，可以看出随着原子氧累积通量的增加，导电黑膜的表面电阻率呈指数规律缓慢递增，拟合关系式为:

式中：Y为表面电阻率，103Ω；x为原子氧累积通量，1020atoms/cm2。

表3　原子氧作用下表面电阻率测试数据

图4　原子氧作用下导电黑膜表面电阻曲线图

2.4质量损失

采用ST26型电子天平测试仪测试不同原子氧累积通量下导电黑膜的质量，测试结果如表4所列，可以看出随着原子氧累积通量增加导电黑膜质量不断减小，总质量损失为0.44 mg，质量损失率为0.69%。导电黑膜的质量损失随原子氧暴露剂量的变化关系如图5所示。从图中可以看出，导电黑膜的质量损失随原子氧暴露剂量的变化趋势基本呈线性正比例关系，这符合原子氧剥蚀效应的质损方程为：

式中：Ф为原子氧通量密度，AO/cm2·s；Δm为标准试样实验前后的质损（g）；A为标准试样的暴露面积，cm2；η为标准试样的原子氧作用系数，cm3/AO；ρ为标准试样的密度，g/cm3；τ为标准试样在原子氧中的暴露时间，s。

当Ф、A、η、ρ固定时，材料的剥蚀量与原子氧暴露时间成正比例关系。

表4　不同原子氧通量作用下导电黑膜质量测试数据

图5　原子氧作用下导电黑膜质量损失关系曲线图

3　结论

开展导电黑膜原子氧模拟实验研究和宏观性能表征。结果表明：

（1）随原子氧累积通量增加，导电黑膜太阳吸收比缓慢增大，当原子氧累积通量达到3.5×1021atoms/ cm2时，太阳吸收比增加总量为0.008，半球发射率无较大变化，因此，原子氧对导电黑膜太阳吸收比和半球发射率无较大影响；

（2）随着原子氧累积通量增加，导电黑膜表面电阻率呈指数规律缓慢递增，当原子氧累积通量达到3.5×1021atoms/cm2时，表面电阻率值增加1.368× 105W，有2个数量级的变化；

（3）随着原子氧累积通量增加，导电黑膜质量不断减小，当原子氧累积通量达到3.5×1021atoms/ cm2时，总质量损失为0.44 mg，质量损失率为0.69%，导电黑膜的质量损失随原子氧暴露剂量的变化趋势基本呈线性正比例关系。原子氧对导电黑膜表面的ITO膜有一定的剥蚀，导致材料的导电性能下降。

由以上实验结果可以看出，原子氧对导电黑膜表面的ITO膜有一定的剥蚀效应，导致材料的导电性能下降，由于ITO薄膜在聚四氟乙烯基底的附着力和致密度非常好，能有效防护黑色聚酰亚胺基底，导电黑膜太阳吸收比和半球发射率无较大变化。由于目前研制的导电黑膜用于中高轨道，建议优化膜设计，增强原子氧防护能力，为导电黑膜低地球轨道的应用奠定基础。

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《载人航天与太空旅游》一书正式出版发行

兰州空间技术物理研究所副所长、《真空与低温》杂志主编李得天研究员等人编写的《载人航天与太空旅游》一书，最近由甘肃科学技术出版社正式出版。李得天研究员，博士，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，享受政府特殊津贴，“十二五”国家863计划主题专家，国防973项目首席科学家。中国计量测试学会常务理事兼真空计量专委会主任、中国真空学会常务理事、中国真空学会科学普及和教育委员会主任，真空低温技术与物理国家级重点实验室主任。

《载人航天与太空旅游》由飞向太空的“航班”、走进“太空旅馆”、体验神奇的太空、出发去太空等章节。讲述了太空日常生活的“衣食住行”，介绍了进入太空要经历的超重、失重等现象。从而为广大青少年读者，了解载人航天和太空旅游、开启通往神秘太空的“梦想之旅”，提供了通俗易懂的航天载人知识。

《载人航天与太空旅游》在编写过程中，经历了图书选题、资料调研、提纲编写、文稿撰写等大量的工作。参加编写的还有编辑部的宋智、雷占许、权素君等同志。本书出版后到有关中小学进行了宣讲，收到中小学生的热烈欢迎。

随着航天科学技术的发展，需要大量的航天知识的专业人才，本书适用于中小学生课外阅读。启发广大青少年热爱航天、探索航天的求知欲望，具有一定的重要意义。

（本刊编辑部）

EFFECTSOFATOM IC OXYGENON THEDETERIORATIONOFANTISTATIC BLACK POLYIM IDE FILMS

ZHANG Jian-fenga，GUO Yunb，YANG Sheng-shenga
（a.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，b.Science and Technology on M aterial Performance Evaluating in Space Environment Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

The atom ic oxygen is one of themost important space environments in the LEO space，which could damage the spacecraftmaterials due to its huge erosion effect.The antistatic black polyim ide films are the stray light removing materials and antistaticmaterials，and usually used to the satellite antenna and the spacecraft surfacematerial.This paper presents experimental investigations of antistatic black polyimide films damaged by atomic oxygen.Study of the performance degeneration rules of antistatic black polyim ide films，The atom ic oxygen durability of the antistatic black polyimide filmson the LEO were studied for preliminary.Some reasonable proposalsare given for the LEOmission design of the antistatic black polyim ide films.

black antistatic black polyim ide films；atom ic oxygen；the deterioration

O484

A

1006-7086（2016）01-0042-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.010

2015-11-30

真空技术与物理重点实验室基金项目（9140C550101110C5502）

张剑锋（1978-），男，陕西省咸阳人，从事空间环境效应及防护技术研究。E-mail：zhangjfak2002@163.com。