空间Kapton材料的原子氧、温度、紫外效应试验研究.pdf

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1、2001年12月北京航空航天大学学报December2001第27卷第6期JournaIofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVoI.27No.6空间Kapton材料的原子氧、温度、紫外效应试验研究赵小虎沈志刚王忠涛邢玉山（北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系）摘要：主要通过灯丝放电磁场约束型原子氧剥蚀效应地面模拟设备模拟空间环境，对空间常用材料Kapton进行了原子氧剥蚀效应、温度升高对材料原子氧效应的影响试验以及原子氧与紫外辐射复合效应试验，

2、对试验前后试样的外观、质量及表面形貌进行了比较，得出了材料在设备中的反应特点以及温度变化、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律.同时测量了原子氧暴露试验前后、原子氧与紫外辐射复合作用前后试样的反射率和透射率，并进行了比较.关键词：地面试验；紫外辐射；光学性质；原子氧效应中图分类号：V255文献标识码：A文章编号：1001-596（52001）06-0670-04大量的运行于低地球轨道环境（LowEarth交变过程可能会引起材料的热疲劳，导致材料表Orbit，LEO）中的空间飞行器都面临着各种轨道环面出现

3、微裂纹，影响其性能，还有可能对材料与原境效应的严峻考验，在早期的航天飞行活动中人子氧之间的相互作用产生影响，对此国外作了一类就已观察到飞行器与其所处空间环境相互作用［8］，［9］定的研究.而只占太阳整个波长辐射量的［1］而产生的一些现象，80年代初的多次航天飞机8%的紫外部分（波长为100~400nm），特别是100飞行任务后，又均发现飞行器表面有了显著的变~200nm波长范围的真空紫外辐射，可能会给有化，一部分材料表面被严重剥蚀；一些金属材料表机物材料带来不可忽略的影响［8］.面出现厚厚的氧化层；材料

4、的表面热光学性能甚本文选择在空间应用非常广泛的聚合物材料［2］，［3］至弹性模量等也发生了变化.Kapton，对其进行了原子氧效应、原子氧与紫外辐低地球轨道的环境组分主要有N，O，Ar，22射复合效应以及试样表面温度升高对材料的原子He，H和原子氧，其中原子氧含量最高.当飞行器氧效应的影响的试验研究，得到了一些有意义的以轨道速度在LEO中运行时，原子氧以7~8km/s结果.的相对速度撞击飞行器表面，平均撞击动能可达4~5eV，同时由于原子氧具有很强的氧化性，因1试验设备此这一过程可能会引起材料的剥蚀（e

5、rosion）和性试验设备为自行设计与研制的灯丝放电磁场能退化（degradation），从而影响飞行器使用寿［4，］［5］约束型原子氧效应地面模拟设备，该设备属于目命.地面模拟试验是除空间暴露试验外应用非常前国外LEO环境原子氧效应研究中最为常用的广泛的一种原子氧剥蚀效应的研究方法，目前工等离子体型设备，关于设备构成及运行特性的详程上大量使用的是等离子体型设备，这类设备所细介绍见文献［10］.为使设备能够进行原子氧效得到的关于原子氧-材料剥蚀的现象及数据与应、温度变化、紫外辐射效应试验，增加了电加热L

6、EO暴露试验可以定性地吻合［6］，［7］.系统和紫外辐射系统，下面分别做简单介绍.除原子氧效应外，飞行器在LEO环境中运行试样表面温度是通过一试样加热器来控制还会受到热循环、紫外辐射（包括真空紫外辐射）的，并用热偶温度计进行测量监控，通过控制加热等其它环境效应的影响.空间飞行器表面温度的电流的大小达到控制试样表面温度的目的.变化范围约为-80~80C（称为热循环），这种热紫外辐射系统由光源与电源两部分组成.紫收稿日期：2000-04-03基金项目：国家863高技术航天领域资助项目（863-2-2-1-2

7、2）作者简介：赵小虎（1974-），男，陕西商州人，博士生，100083，北京.第6期赵小虎等：空间Kapton材料的原子氧、温度、紫外效应试验研究671外光源为日本的HAMAMATSUL613K型氘灯（功绒”状，且灰白相间；而且随原子氧累计通量的增率约30W），一长68mm、直径29mm的柱体.氘灯大，材料的表面形貌特征也不尽相同，变化更为剧的紫外辐射强度是在中国计量科学研究院标定烈，剥蚀更加严重.的，与太阳的辐射强度比较曲线见图1.表1Kapton试样的原子氧暴露试验质量损失结果样品号参数71523

8、28试验前质量/g0.022600.022900.021500.02160试验后质量/g0.017450.017300.018250.01675质量损失!"/g0.005150.005600.003250.00485暴露时间#/11010710图1氘灯紫外辐射与太阳紫外辐射的能量谱线需要说明的是，在试验时发现紫外氘灯的照射会使试样温度升高至130C，为了保证进行对比的试验是在同样的温度和原子氧条件下进行的，在做用来与原子氧和紫外辐射复合效应