1前言原子氧(AO)是指低地球轨道(LEO )的残余气体中以原子态氧存在的气体环境.AO束与表面材料发生作用,使飞行器表面材料造成质量损失,强度降低,改变材料表面的光学和热学性能,降低飞行材料的使用寿命<1～3> .近些年,为了发展高效和长寿命的航天器,许多发达国家对AO的侵蚀作用以及防护涂层展开了大量的研究工作,并取得了一定的进展<1,2 > .而在国内,这方面的研究还很少.本文以硅酸钾为粘接剂(其空间性能稳定,耐AO及耐紫外辐照<4 > ) ,将其进行改性,在水溶性的硅酸盐中引入有机树脂,制备出无机—有机复合涂层,兼具有无机物和有机物的优点;同时,在其中添加SiO2 无机颜料和片状硅酸盐矿物,该添加物性能稳定且氧原子对其扩散系数低,能起到很好阻碍作用.用 之对Kapton典型空间材料进行防护,并放置于AO侵蚀的地面模拟试验装置中进行暴露实验 ,研究该涂层耐AO辐照能力和空间稳定性.2实验方法将Kapton(常用的空间材料)薄膜 用环氧树脂粘贴于薄铁板表面,烘干固化,加工成35mm×15mm的试样.试样经丙酮超声清洗,蒸馏水洗涤并干燥后,在Kapton表面涂覆研制的SiO2—硅酸钾复合涂层,于一定的温度下烘干制得样品,涂层厚度约为80 μm .AO辐照参数为:原子氧通量3 39×10 15/cm2 ·s ,真空度8×10 - 3Pa ,辐照时间832min ,原子氧能量5eV～10eV .将上述制备的试样置于模拟AO环境装置中进行辐照实验.辐照处理一定时间后,进行SEM、XPS、XRD和FTIR等测试分析.3结果与讨论3 1SEM分析SEM观察显示,Kapton在AO暴露试验前外观呈浅棕黄色,透明(图1a) <5> ;经辐照后,表面发生了明显的变化;表面粗糙,失去原有光滑和透明(图1b) <5> .而涂层未经AO辐照SEM显深色(图1中“1”区) ,经辐照后表面呈浅色(图1中“2”区) .可以看出,涂层经原子氧辐照后,表面未发现微细裂纹,微观结构基本没有改变,只是片层状的碎片减少,可能是部分有机物与原子氧反应的结果.3 2样品质损分析图2为Kapton及SiO2 —硅酸钾涂层暴露在AO环境下的侵蚀质损曲线,呈显示Kapton试样随着AO累计通量的增加 而质损增大,失重显著,而涂层在原子氧辐照初期质量稍有损失,随后基本保持稳定.ig.2AOcorrosionkineticscurveofKaptonandSiO2-K2 SiO3 coatings3 3涂层表面分析XRD分析指出,原子氧侵蚀前后SiO2 —硅酸钾涂层(图3)的各物质的特征衍射峰位相同.但侵蚀后各物质的衍射峰增强,这缘于分布在 涂层表面上的硅丙乳液是非晶态,它掩蔽和衰减了晶态物质的衍射信号,当涂层受原子氧侵蚀后, 部分有机成分参加反应消耗掉,所以XRD检测到的物质的衍射峰明显增强.结果表明,在AO环境中涂层结构是稳定的.SiO2—硅酸钾复合涂层受AO侵蚀前后FTIR分析的特征峰都未发生改变(图4 ) ,也表明了这种涂层在原子氧环境下是稳定的.而KaptonXPS测试结果(表1) <5> 表明,其结构、元素相对含量发生明显变化<5,6 > .Fig .3XRDpatternsofcoatingssurfacebefore (a)andafter (b) exposuretoAOTable 1<5> XPSbindingenergyandcompositionforpolyimideid ealvalue,exposedandunexposedpeakidealBE/eVat%unexposedBE/eVat%exposedBE/eVat%C1s2 84 70 75 9% 2 84 3 80 2 % 2 84 169 7%2 85 682 85 5 2 85 42 86 92 88 612 88 0 2 88 8O1s 5 3 2 0 3 17 2 % 5 3 1 715 3 % 5 3 2 0 2 2 2 %5 3 3 2 65 3 2 2 5 3 2 9N1s 40 0 60 6 9% 40 0 3 4 5 % 3 99 2 8 1%Fig.4FTIRspectrumofcoatingsbefore (a)andafter (b)exposuretoAO图5是SiO2 —硅酸钾涂层的XPS全扫描图,AO辐照前后,C含量略有减少.其它元素的峰强度、峰位移看不 出有变化,再次证明该涂层相对稳定.4结论Kapton对AO极为敏感,在AO作用下,表面发生了复杂的化学变化,剥蚀比较严重,试样外观变化明显.SiO2—硅酸钾涂层经AO侵蚀,其组成和结构均没有改变,抗质损性能稳定,可以认为这种涂层在Fig .5XPSsurveyspectraobtainedfromcoatingsbefore (a)andafter (b)exposure低轨道空间环境对空间材料起到较好的防护作用.SiO_2-K_2Si O_3涂层对空间材料Kapton的防护行为研究@张蕾$中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室!沈阳110016;辽宁大学化学科学与工程学院沈阳110036
@严川伟$中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室!沈阳110016
@李绮$辽宁大学化学科学与工程学院!沈阳110036原子氧;;侵蚀;;SiO2-K2SiO3防护涂层在微波电离型原子氧 (AO)源地面模拟设备中对空间材料Kapton及SiO2 -K2 SiO3 无机 -有机复合涂层进行原子氧剥蚀效应试验 .用扫描电镜 (SEM )、光电子能谱 (XPS)、红外光谱 (FT -IR)、X射线衍射光谱 (XRD)和LAMBDA - 9分光光度计 ,对在模拟原子氧 (AO)环境中Kapton及在其表面涂覆的涂层所发生的侵蚀与防护作用进行了表征研究 .AO对Kapton表现了较严重的侵蚀作用 ,表面呈现粗糙 ,失去原有光滑和透明 .而施加的SiO2 -K2 SiO3 涂层 ,经AO辐照后 ,表面却变化甚少 .实验表明 ,该涂层对AO辐照有较强的防护效果 ,有较好的空间稳定性 ,能阻止AO对基材的侵蚀 .<1>RaddyMR .Effectoflowearthorbitatomicoxygenonspacecraftmaterials
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