真空紫外輻照非金屬材料環(huán)境效應(yīng)與機(jī)理分析進(jìn)展

真空紫外輻照非金屬材料環(huán)境效應(yīng)與機(jī)理分析進(jìn)展綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外真空紫外輻照硅橡膠、聚酰亞胺薄膜等常用空間非金屬材料環(huán)境效應(yīng)方面的研究進(jìn)展。研究結(jié)果說(shuō)明，真空紫外輻照可造成非金屬材料分子鍵斷裂，出氣性能增強(qiáng)，使熱控涂層的光學(xué)性能顯著降低。另外，對(duì)環(huán)境效應(yīng)的理論研究也開(kāi)展了概述。借助FTIR、XPS等手段，研究了紫外線與材料的作用機(jī)理；基于分子污染理論及輻照化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，建立了紫外輻照質(zhì)量損失與污染物沉積模型。通過(guò)對(duì)該方面國(guó)內(nèi)外研究的比照，提出了國(guó)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)真空紫外輻照出氣與污染效應(yīng)理論研究的建議。

引言

真空紫外線因光子能量較高，會(huì)對(duì)非金屬材料造成損傷，從而加劇航天器敏感表面的污染效應(yīng)，并可能引起增強(qiáng)效應(yīng)。這將成為制約航天器在軌長(zhǎng)壽命、高可靠運(yùn)行的重要因素。

真空紫外輻射環(huán)境效應(yīng)主要表現(xiàn)為：輻照造成非金屬材料分子鏈的斷裂，增大了出氣速率；當(dāng)太陽(yáng)紫外線照射到材料出氣形成污染云時(shí)，污染云內(nèi)的分子鍵斷裂，容易在敏感表面發(fā)生“定影”，形成“永久性”污染；當(dāng)太陽(yáng)紫外輻照敏感表面的污染物膜層時(shí)，小分子污染物移動(dòng)(擴(kuò)散)并聚集到一起形成較大的顆粒，增加了污染分子在敏感表面的滯留時(shí)間，造成了污染物沉積量增加。

國(guó)外對(duì)真空紫外輻照非金屬材料的環(huán)境效應(yīng)及機(jī)理已有相當(dāng)?shù)难芯?，?guó)內(nèi)相關(guān)的研究則不多，且主要集中在環(huán)境效應(yīng)與材料損傷機(jī)理分析方面。國(guó)內(nèi)外真空紫外輻照非金屬材料引起的環(huán)境效應(yīng)與機(jī)理，并對(duì)國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究做了展望。

1、真空紫外輻照環(huán)境效應(yīng)與機(jī)理

1.1、國(guó)外真空紫外輻照環(huán)境效應(yīng)

國(guó)外主要是從理論出發(fā)，分析光子與材料相互作用的微觀機(jī)理，在此根底上，從模擬試驗(yàn)出發(fā)，應(yīng)用不同的分析手段(光學(xué)顯微鏡、SEM、XPS、FTIR等)表征了材料的微觀損傷效應(yīng)。如Grossman等對(duì)FEP在真空紫外作用下表面形態(tài)及質(zhì)量變化開(kāi)展了研究。結(jié)果說(shuō)明，在真空紫外線作用下，F(xiàn)EP表面粗糙程度由原來(lái)的8nm上升到14nm。質(zhì)損測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，真空紫外線僅對(duì)不含C-H鍵的聚合物造成質(zhì)損，試驗(yàn)結(jié)果是通過(guò)對(duì)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)比較得到的。Haffke等研究了CV-1144-O有機(jī)硅共聚物的真空紫外輻照性能。CV-1144-O經(jīng)過(guò)紫外輻照20h即產(chǎn)生了明顯的光學(xué)常數(shù)變化。

Dever等與Boeder等研究了真空紫外對(duì)硅橡膠性能的影響。詳細(xì)研究了真空紫外對(duì)DC93-500穿透深度的影響，及不同波長(zhǎng)或不同強(qiáng)度真空紫外對(duì)DC93-500光學(xué)性能的影響。研究結(jié)果顯示，紫外輻照顯著降低了DC93-500的發(fā)射率，特別是波長(zhǎng)在185nm以上紫外線的影響較大。185nm以下真空紫外對(duì)DC93-500的穿透深度小于1μm，而185～200nm真空紫外線造成了硅橡膠的發(fā)射率急劇降低，穿透深度也到達(dá)了1～3μm。Verkhovtseva等[5]研究了PET薄膜的真空紫外輻照性能。使用5～200nm真空紫外輻照后，PET薄膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均輕微下降。隨VUV注量增加，PET薄膜的吸光率顯著增加。使用XPS、FTIR及ESR測(cè)試發(fā)現(xiàn)，C-O斷裂發(fā)生脫羰反應(yīng)，從而使分子鏈內(nèi)苯環(huán)自由基密度增加，出現(xiàn)碳化趨勢(shì)或形成富碳態(tài)。自由基濃度增加造成了PET光學(xué)性能退化。Luey等[6]研究了雙組份污染膜的紫外光化學(xué)過(guò)程。

研究說(shuō)明，DC704和DOP雙組份污染膜在真空紫外輻照過(guò)程中出現(xiàn)了光聚合反應(yīng)。Cheever等研究了紫外輻照DC704硅油對(duì)二次表面鏡ZOT涂層的污染效應(yīng)。污染物使二次表面鏡的太陽(yáng)吸收率αs由0.07升高至0.20，并隨輻照時(shí)間增加而增加。Miles等使用145keV電子和紫外對(duì)陽(yáng)極化氧化鋁熱控涂層開(kāi)展了輻照。相比可見(jiàn)光和紅外區(qū)域，紫外輻射可對(duì)熱控涂層造成顯著損害。Keith等和Kazuyuki等研究了真空紫外對(duì)分子污染解吸性能的影響。主要研究了VUV強(qiáng)度和薄膜表面溫度對(duì)DEHP薄膜光分解與光固化性的影響。紫外輻照可使DEHP發(fā)生光聚合反應(yīng)和光固化反應(yīng)。在43.3h的紫外輻照試驗(yàn)中，在QCM上收集到光聚合反應(yīng)生成凝結(jié)物的量為0.016μg/cm2。

2、結(jié)語(yǔ)

真空紫外輻照硅橡膠、聚酰亞胺等非金屬材料的穿透深度僅為微米級(jí)，光子能量集中作用在材料表面，使材料表面產(chǎn)生解吸與化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程，加劇了材料出氣，從而為航天器光學(xué)敏感表面造成了嚴(yán)重的污染效應(yīng)。為此，國(guó)外NASA、ESA等機(jī)構(gòu)已對(duì)真空紫外輻照污染效應(yīng)及機(jī)理開(kāi)展了多方面的研究，建立了材料出氣與污染物沉積模型，研究結(jié)果也與模擬試驗(yàn)結(jié)果較吻合，同時(shí)也為設(shè)計(jì)師篩選材料提供一定的理論依據(jù)。而國(guó)內(nèi)在該方面僅開(kāi)展了一些常用空間材料的空間環(huán)境污染效應(yīng)研究與材料損傷機(jī)理研究，尚未開(kāi)展真空紫外輻照引起的材料出氣與污染物沉積方面的理論研究。

真空紫外輻照非金屬材料可引起污染效應(yīng)或增強(qiáng)效應(yīng)。依據(jù)QJl558、Q/W776等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試出氣效應(yīng)合格的材料在紫外輻照條件下有可能成為潛在污染源