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)展綜述了近年來國內(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，對環(huán)境效應(yīng)的理論研究也開展了概述。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。通過對該方面國內(nèi)外研究的比照，提出了國內(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。

國外對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?，國?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，并對國內(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、國外真空紫外輻照環(huán)境效應(yīng)

國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FEP在真空紫外作用下表面形態(tài)及質(zhì)量變化開展了研究。結(jié)果說明，在真空紫外線作用下，F(xiàn)EP表面粗糙程度由原來的8nm上升到14nm。質(zhì)損測試結(jié)果說明，真空紫外線僅對不含C-H鍵的聚合物造成質(zhì)損，試驗(yàn)結(jié)果是通過對聚乙烯(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硅橡膠性能的影響。詳細(xì)研究了真空紫外對DC93-500穿透深度的影響，及不同波長或不同強(qiáng)度真空紫外對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，特別是波長在185nm以上紫外線的影響較大。185nm以下真空紫外對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)過程。

研究說明，DC704和DOP雙組份污染膜在真空紫外輻照過程中出現(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電子和紫外對陽極化氧化鋁熱控涂層開展了輻照。相比可見光和紅外區(qū)域，紫外輻射可對熱控涂層造成顯著損害。Keith等和Kazuyuki等研究了真空紫外對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

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，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，國外NASA、ESA等機(jī)構(gòu)已對真空紫外輻照污染效應(yīng)及機(jī)理開展了多方面的研究，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)。而國內(nèi)在該方面僅開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