真空紫外辐照非金属材料环境效应与机理研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:王毅

  综述了近年来国内外真空紫外辐照硅橡胶、聚酰亚胺薄膜等常用空间非金属材料环境效应方面的研究进展。研究结果表明,真空紫外辐照可造成非金属材料分子键断裂,出气性能增强,使热控涂层的光学性能显著降低。另外,对环境效应的理论研究也进行了概述。借助FTIR、XPS等手段,研究了紫外线与材料的作用机理;基于分子污染理论及辐照化学反应机理,建立了紫外辐照质量损失与污染物沉积模型。通过对该方面国内外研究的对比,提出了国内应加强真空紫外辐照出气与污染效应理论研究的建议。

  引言

  真空紫外线因光子能量较高,会对非金属材料造成损伤,从而加剧航天器敏感表面的污染效应,并可能引起增强效应。这将成为制约航天器在轨长寿命、高可靠运行的重要因素。

  真空紫外辐射环境效应主要表现为:辐照造成非金属材料分子链的断裂,增大了出气速率;当太阳紫外线照射到材料出气形成污染云时,污染云内的分子键断裂,容易在敏感表面发生“定影”,形成“永久性”污染;当太阳紫外辐照敏感表面的污染物膜层时,小分子污染物移动(扩散)并聚集到一起形成较大的颗粒,增加了污染分子在敏感表面的滞留时间,造成了污染物沉积量增加。

  国外对真空紫外辐照非金属材料的环境效应及机理已有相当的研究,国内相关的研究则不多,且主要集中在环境效应与材料损伤机理分析方面。国内外真空紫外辐照非金属材料引起的环境效应与机理,并对国内该领域的研究做了展望。

  1、真空紫外辐照环境效应与机理

  1.1、国外真空紫外辐照环境效应

  国外主要是从理论出发,分析光子与材料相互作用的微观机理,在此基础上,从模拟试验出发,应用不同的分析手段(光学显微镜、SEM、XPS、FTIR等)表征了材料的微观损伤效应。如Grossman等对FEP在真空紫外作用下表面形态及质量变化进行了研究。结果表明,在真空紫外线作用下,FEP表面粗糙程度由原来的8 nm上升到14 nm。质损测试结果表明,真空紫外线仅对不含C-H键的聚合物造成质损,试验结果是通过对聚乙烯(PE),聚氟乙烯(Tedlar)、乙烯-四氟乙烯共聚物(Tefzel)和氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)比较得到的。Haffke等研究了CV-1144-O有机硅共聚物的真空紫外辐照性能。CV-1144-O经过紫外辐照20 h即产生了明显的光学常数变化。

  Dever等与Boeder等研究了真空紫外对硅橡胶性能的影响。详细研究了真空紫外对DC93-500穿透深度的影响,及不同波长或不同强度真空紫外对DC93-500光学性能的影响。研究结果显示,紫外辐照显著降低了DC93-500的发射率,特别是波长在185 nm 以上紫外线的影响较大。185 nm以下真空紫外对DC93-500的穿透深度小于1 μm,而185~200 nm真空紫外线造成了硅橡胶的发射率急剧降低,穿透深度也达到了1~3 μm。Verkhovtseva 等[5]研究了PET 薄膜的真空紫外辐照性能。使用5~200 nm真空紫外辐照后,PET薄膜的拉伸强度和断裂伸长率均轻微下降。随VUV注量增加,PET 薄膜的吸光率显著增加。使用XPS、FTIR及ESR测试发现,C-O断裂发生脱羰反应,从而使分子链内苯环自由基密度增加,出现碳化趋势或形成富碳态。自由基浓度增加造成了PET光学性能退化。Luey等[6]研究了双组份污染膜的紫外光化学过程。

  研究表明,DC704和DOP双组份污染膜在真空紫外辐照过程中出现了光聚合反应。Cheever等研究了紫外辐照DC704硅油对二次表面镜ZOT涂层的污染效应。污染物使二次表面镜的太阳吸收率αs由0.07升高至0.20,并随辐照时间增加而增加。Miles等使用145 keV电子和紫外对阳极化氧化铝热控涂层进行了辐照。相比可见光和红外区域,紫外辐射可对热控涂层造成显著损害。Keith等和Kazuyuki等研究了真空紫外对分子污染解吸性能的影响。主要研究了VUV强度和薄膜表面温度对DEHP薄膜光分解与光固化性的影响。紫外辐照可使DEHP发生光聚合反应和光固化反应。在43.3 h的紫外辐照试验中,在QCM上收集到光聚合反应生成凝结物的量为0.016 μg/cm2

  2、结语

  真空紫外辐照硅橡胶、聚酰亚胺等非金属材料的穿透深度仅为微米级,光子能量集中作用在材料表面,使材料表面产生解吸与化学反应等过程,加剧了材料出气,从而为航天器光学敏感表面造成了严重的污染效应。为此,国外NASA、ESA等机构已对真空紫外辐照污染效应及机理开展了多方面的研究,建立了材料出气与污染物沉积模型,研究结果也与模拟试验结果较吻合,同时也为设计师筛选材料提供一定的理论依据。而国内在该方面仅进行了一些常用空间材料的空间环境污染效应研究与材料损伤机理研究,尚未开展真空紫外辐照引起的材料出气与污染物沉积方面的理论研究。

  真空紫外辐照非金属材料可引起污染效应或增强效应。依据QJl558、Q/W776等标准测试出气效应合格的材料在紫外辐照条件下有可能成为潜在污染源。因此,为了深入开展我国空间材料真空紫外辐照试验,建立空间材料紫外辐照效应数据库,为选取材料与研制新材料提供理论依据,提高航天器材料的设计水平与使用可靠性,开展真空紫外辐照环境效应及增强效应的模拟与预估研究是有必要的。

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