Kapton等離子體注入-沉積鞘層動(dòng)力學(xué)及抗原子氧侵蝕效應(yīng).pdf

1、距地球表面200～700km的低地球軌道是航天飛機(jī)、空間站以及一些衛(wèi)星的主要運(yùn)行軌道。原子氧是低地球軌道氧化能力強(qiáng)，對(duì)航天器影響最為嚴(yán)重的因素之一，它能使航天器零部件性能衰減而導(dǎo)致服役失敗，尤其是應(yīng)用于熱控涂層、太陽(yáng)能電池帆板中的聚合物及其復(fù)合材料對(duì)原子氧特別敏感。本文針對(duì)如何提高聚合物Kapton表面抗原子氧侵蝕的性能，從性能評(píng)價(jià)設(shè)備的研制、聚合物表面等離子體注入鞘層動(dòng)力學(xué)、防護(hù)涂層制備和原子氧侵蝕機(jī)理等方面展開研究，以提高衛(wèi)星、空間

2、站等航天器的在軌服役壽命。
　　基于加速暴露試驗(yàn)的思路和電感耦合射頻放電技術(shù)，研制了原子氧輻照地面模擬器。該模擬器可獲得純凈的高密度氧等離子體，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)輻照，且等效原子氧束流密度可連續(xù)調(diào)節(jié)。當(dāng)射頻功率為400W時(shí)，獲得高達(dá)1016atom/cm2·s的等效原子氧束流密度，相對(duì)低地球軌道的原子氧束流密度其加速暴露能力約為100倍。聚合物Kapton材料的質(zhì)量損失隨輻照時(shí)間的增加呈線性增加的趨勢(shì)，其侵蝕表面的凹坑密度呈下降趨勢(shì)。

3、
　　基于NASA長(zhǎng)期飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其對(duì)原子氧與Kapton材料作用提出的假設(shè)，將原子氧侵蝕視為粒子輸運(yùn)過(guò)程，采用MonteCarlo模型，利用VisualC++編程進(jìn)行了數(shù)值仿真，研究了原子氧環(huán)境及摻雜對(duì)侵蝕效應(yīng)的影響和裂紋間侵蝕過(guò)程中的交互作用。低能量原子氧模擬器輻照所產(chǎn)生侵蝕腔體的深度較小而寬度較大。離子注入摻雜可以有效地提高Kapton表面抗原子氧侵蝕的性能。為進(jìn)一步提高改性層的抗原子氧侵蝕性能，需要采用等離子體注入/沉積

4、或復(fù)合膜層方法降低改性層中有機(jī)成分或碳的含量，同時(shí)提高膜層的致密度，降低膜層與原子氧反應(yīng)的系數(shù)。裂紋所產(chǎn)生的原子氧侵蝕效應(yīng)是巨大的，特別是膜層表面存在大量裂紋時(shí)，由于裂紋間原子氧侵蝕的交互作用，裂紋的危害性更強(qiáng)。當(dāng)ANI發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，原子氧侵蝕腔體底部出現(xiàn)“山丘”形貌，其傾斜度隨原子氧攻角的增大而增大。相鄰寬度大小不等的裂紋間原子氧侵蝕過(guò)程中存在交互作用，出現(xiàn)具有臺(tái)階的侵蝕腔體。
　　由于聚合物導(dǎo)電性能較差以及表面電荷積聚所產(chǎn)生的電

5、容效應(yīng)致使其表面電位衰減，采用等離子體浸沒(méi)離子注入對(duì)其表面改性，是非常困難的。利用等離子體動(dòng)力學(xué)粒子模型，實(shí)時(shí)跟蹤離子在等離子體鞘層中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)及特性并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。研究表明對(duì)于較薄的聚合物膜，電容效應(yīng)影響較小，離子注入能量較高。而對(duì)于厚大聚合物材料，為消除電荷積聚、打火及施加偏壓難的問(wèn)題，柵網(wǎng)輔助等離子體浸沒(méi)離子注入是非常理想的方法。研究了輔助柵網(wǎng)對(duì)二次電子發(fā)射的抑制作用和離子注入動(dòng)力學(xué)行為。離子注入聚合物表面，其表面電位降低，在柵網(wǎng)

6、與聚合物表面形成電場(chǎng)并抑制二次電子的發(fā)射。柵網(wǎng)對(duì)二次電子發(fā)射的抑制能力，隨柵網(wǎng)間隙率的減小和高度的增加而增強(qiáng)。通過(guò)柵網(wǎng)上方鞘層內(nèi)電場(chǎng)的加速作用，離子由柵網(wǎng)間隙穿過(guò)并以較高的能量注入聚合物表面。輔助柵網(wǎng)產(chǎn)生的陰影效應(yīng)致使離子注入劑量不均，陰影效應(yīng)可通過(guò)縮短脈寬，適當(dāng)增大柵網(wǎng)的高度和間隙率來(lái)減弱。
　　高能離子的注入在膜基界面處形成混合層，有利于提高膜基結(jié)合力和抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力，但太高的注入能量使聚合物基體的光學(xué)透過(guò)率降低，吸

7、收系數(shù)升高。射頻輔助成膜有利于提高膜層的膜基結(jié)合力和改善光學(xué)性能。選擇10kV負(fù)脈沖偏壓和輔助射頻功率200W的參數(shù)，通過(guò)鋁/硅等離子體的注入/沉積制備了氧化鋁/氧化硅復(fù)合涂層。該復(fù)合涂層具有良好的膜基結(jié)合力和抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力，氧化硅膜的增透作用和硅等離子體的再注入作用Al2O3·SiO2新相形成，改善了氧化鋁涂層的光學(xué)性能。原子氧輻照結(jié)果表明，復(fù)合涂層防護(hù)試樣的質(zhì)量損失不及Kapton基體質(zhì)量損失的1/20，且光學(xué)性能穩(wěn)定、表面

8、仍較平整，表明等離子體注入/沉積技術(shù)可在熱控涂層材料Kapton表面制備抗原子氧侵蝕性能優(yōu)越的防護(hù)涂層。
　　膜基界面的狀態(tài)對(duì)膜基結(jié)合力尤為重要。采用X射線光電子能譜對(duì)原子氧侵蝕前后的氧化鋁/氧化硅復(fù)合涂層進(jìn)行了逐層剖析，重點(diǎn)研究了氧化硅與氧化鋁和氧化鋁與聚合物過(guò)渡區(qū)元素的結(jié)合狀態(tài)。在氧化鋁與聚合物和氧化硅與氧化鋁交界面處分別形成了Al-O-C和Si-O-Al鍵，提高了膜基與膜層間的結(jié)合力。復(fù)合涂層中有機(jī)成分夾雜與原子氧反應(yīng)生成易