硅氧烷原子氧防护膜工艺及防护性能研究

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1、第27卷第6期航天器环境工程20lO年12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERJNG75l硅氧烷原子氧防护膜工艺及防护性能研究郑阔海，杨生胜，李中华，王敬宜，赵琳(兰州物理研究所真空低温技术与物理国家级重点实验室，兰州730000)摘要：原子氧是对低地球轨道航天器构成重要影响的空间环境因素之一，严重影响着航天器在轨的安全运行。文章重点介绍了制备工艺对六甲基二硅氧烷原子氧防护膜结构及性能的影响，分析了防护膜的聚合原理，并对其结构、成分进行了测试分析，从而获得了防护膜的工艺参数。最后对防

2、护膜进行了原子氧辐照实验与测试，结果表明采用等离子体聚合方法制备的原子氧防护膜具有很好的耐原子氧性能。关键词：原子氧；六甲基二硅氧烷(HMDSO)；防护膜；等离子体；聚合膜中图分类号：V258：V520．1文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)06-0751-05DoI：10．3969／j．issn．1673．1379．2010．06．019O引言原子氧是由低地球轨道中的02发生光敏解离产生的。在低地球轨道空问，短波长(<243nm)太阳辐照的能量足以打断分子氧的约5eV的化学键而生成原子氧

3、，并且此空问氧原子的平均自由程很大(～108m)，所以氧原子复合为氧分子／臭氧分子的几率很小，使得原子氧成为低轨道最丰富的气体[1-6J。在轨航天器以大约7．8km／s的速度绕地球飞行，与原子氧撞击的平均能量为4．5eV±leV，撞击能量随轨道高度升高而衰减。原子氧对航天器表面材料有很强的氧化侵蚀作用，且伴生的发光、发热会改变航天器的热控性能，甚至影响航天器的寿命。材料表面侵蚀程度直接与材料接收到的原子氧累积通量成正比，原子氧的通量密度由航天器轨道高度、姿态、轨道倾角、服役时间和太阳活动状况决定。凶此有必要

4、对长寿命的低地球轨道航天器表面用材料采取一定的防护措施。1样品制备与分析原子氧防护膜的制备采用兰州物理研究所自研的射频放电等离子体聚合实验装置。放电气体分为载气(Ar)、单体(六甲基二硅氧烷，即HMDSO)和工作气体(02)。重点研究了放电时的压强、放电功率、氧分压以及六甲基二硅氧烷输送速率等对防护膜结构及性能的影响。实验中氧气与六甲基二硅氧烷的比例通过气体流量控制仪控制，放电室气压通过一蝶阀来控制。实验结束后，对薄膜进行了测试分析，包括：1)X射线光电子能谱仪(xPS)分析：XPS也被称作为化学分析用电子

5、能潜(ESCA)，是一种常用的固体表面分析方法。由于XPS仪具有很高的表面灵敏度，特别适用于表面元素定性和定量分析，也同样适用于元素化学价态的研究。本文用此方法检测不同工艺制备的有机硅原子氧防护膜中的Si、O和C的化学结构。2)红外光谱分析：此方法是以分子结构特别是以分子基团结构解析作为其主要功能，在有机物分析方面尤为适用。为了得到HMDSO原子氧防护膜的结构成分，首先对薄膜进行了红外光谱分析。2聚合工艺对原子氧防护膜组分结构的影响2．1工作气压对聚合中元素百分含量的影响在HMDSO原子氧防护膜的等离子体聚

6、合制备过程中，在聚合起始的数秒内气压是升高的，之后趋于稳定。这是由于起始阶段HMDSO在等离子体中化学键被打断，形成各种自由基／活性基团，从而导致放电室气压升高；随后各种自由基结合成更大的键结构并沉积在基材上，导致放电室气压回落，此即所谓的泵吸现象(pumpeffect)【7J。图1是薄膜中si、C以及。元素百分含量随T作气压的变化关系。从图中可以看出，随着工作气压收稿日期：2010．05．27；修回日期：2010．11-16作者简介：郑阔海(1979-)，男，硕士学位，从事原子氧效应及防护工作。联系电话：

7、(0931)4585299。些生鳖H：堑j．些箜翌查摧渐m∞．i埤脱正机成分(Si)禽；J}稳步增加，柏机成分(C)含越则几f线性降低．O的

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10、氧量对元素百分含量的影响nm护膜中si、c以段03PI')C泵丰H对血分含昔随掺钒情的变化见l纠2。鲍计放IU‘训l、中铤分压的埔自1．有机成讣fc)含‘}迅速减少，咖见机成分fsj的备种形，℃)则逐新增加。这是【捌为啦休也·臀离Jo}1．b轼锋离于体相札nⅢ，其中C以静种‘L志钮化物形』℃流失．sl别以再种打机^I：络合物或sIq(0