原子氧侵蚀航天材料Kapton的机理研究

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低地球轨道空间是人类当前利用最多的空间资源,低地球轨道空间环境中的气体粒子以原子氧为主,当航天器在轨高速运行时,原子氧的撞击能量足以造成航天器上聚合物材料的质量损失、表面剥蚀和性能退化。Kapton是一种聚酰亚胺材料,因其具有优良的化学稳定性、耐磨性、耐高温性和电绝缘性,在航空航天领域应用非常广泛。近年来,原子氧侵蚀Kapton的研究受到了广泛关注,众多研究者进行了实验探索,但对其详细的侵蚀机理仍知之甚少。本课题采用直接动力学模拟研究了原子氧侵蚀Kapton的反应机制,有望填补理论研究的空白,同时对实验结果进行更全面的解释,也为航天器耐腐蚀材料的研发提供理论指导。本文采用直接动力学模拟的方法对原子氧与Kapton的反应机理进行了研究,在4.05.0 eV的碰撞能下,共发现33种反应路径,详细地展示了14种反应概率较高路径的反应过程。根据产物不同可以将14种反应路径分为两大类,第一类是生成小分子和自由基的反应,第二类是原子氧捕获反应。第一类反应中的产物以CO2为主,第二类反应中的产物包含C=O键、C-O-C键、N-O键、O-O键和C-O-H键。同时,为了更充分的了解反应路径在化学反应过程中的能量以及结构参数的变化,本文分别采用RM1和B3LYP/6-31+G**两种方法下对反应路径的过渡态进行了具体研究,找到了四种反应路径的过渡态,根据能量计算得知这四种反应均为放热反应,说明这些反应通道在热力学上是可行的。科学家们在地面模拟实验中研究了原子氧对Kapton的侵蚀效应,结果表明原子氧会攻击Kapton中的羰基部分生成CO2和CO气体,在原子氧暴露期间可能形成C=O键、C-O-C键和O=C-N键。在本课题的模拟中,也有少量生成CO气体和形成O=C-N键的轨迹。由此可见本课题直接动力学模拟的结果与实验结果相吻合。但是也有些模拟结果在目前的实验中并未发现,这些反应路径期望为将来在实验室条件下进行原子氧侵蚀Kapton提供理论依据。
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