【摘 要】
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航天器用非金属材料在空间环境下会产生有机小分子可凝挥发物,凝结在光学镜头、太阳能电池等敏感表面,对航天器的安全性和可靠性影响极大。采用吸附材料对污染物进行主动控制
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航天器用非金属材料在空间环境下会产生有机小分子可凝挥发物,凝结在光学镜头、太阳能电池等敏感表面,对航天器的安全性和可靠性影响极大。采用吸附材料对污染物进行主动控制是解决空间分子污染的有效手段之一。沸石材料孔径尺寸分布均匀且吸附性能优良,是空间分子污染物吸附的理想选材之一,但其机械强度较差,且其空间分子污染物的吸附性能仍有待提高。因此,亟需开发吸附性能高且机械性能良好的新型空间分子污染物吸附材料。本论文通过对改性沸石材料的设计制备、吸附性能和吸附机理一体化研究,制备了具有高吸附性能的沸石@TiO2复合材料,为空间分子污染物吸附材料选材和应用提供理论和技术依据。采用原子层沉积技术制备TiO2,研究钛出源时间、源瓶温度、反应仓体温度及循环周期数等工艺参数对成膜的影响,通过AFM、XPS、TEM、SEM、XRD等手段分别表征沸石@TiO2复合材料的元素组成、形貌以及结构,获得最优工艺参数。根据沸石@TiO2复合材料的吸附量确定最优的预处理工艺为抽真空、加热200℃以及保温120 min。研究不同实验条件下沸石@TiO2的吸附性能,确定最优工艺参数,钛源Dose时间0.2 s,源瓶温度82℃,沉积温度200℃,沉积200 cycle时制备的材料具有最好的吸附性能和较高的机械强度。实验结果表明:3 hr内沸石@TiO2的吸附量约为16.5 mg/g,比未经过任何处理的5A沸石增加约4 mg/g,比预处理之后的5A沸石增加2 mg/g,同时机械强度也比5A沸石有所提升。BET测试表明沸石@TiO2比5A沸石比表面积增加17.71%,孔径缩小0.2 nm,两者共同作用使得TiO2改性沸石材料性能得以提升。利用Materials Studio软件构筑典型空间分子污染物邻苯二甲酸二甲酯和邻苯二甲酸二乙酯的模型,利用蒙特卡洛方法和分子动力学方法模拟5A沸石对这两种气体的吸附性能,得到其在不同压力和温度下的吸附规律。结果表明在同一温度下,随着压力增大,这两种气体吸附量都在增加,气体在5A沸石中的密度分布表明气体的吸附主要是在5A沸石的八元环组成的笼内。模拟两种气体的吸附等温线和吸附热数据,确定吸附过程与气体分子量有直接关系,沸石孔径一定,当气体的分子量越大,吸附量越小,吸附热越大。以上研究从实验和理论两方面为空间分子污染的防治提供了新思路。
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