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在近地轨道空间中,原子氧(atomic oxygen,AO)是导致材料性能退化最危险的环境因素。它能够对航天器外露材料造成明显的侵蚀,从而严重影响航天器的使用性能和寿命。在同时有其它空间环境因素如真空紫外(vacuum ultraviolet,VUV)存在的情况下,AO的侵蚀速率会明显增大。特别是对于聚合物类空间材料,AO和VUV协同侵蚀作用尤为明显。本工作首先建立了一套空间综合环境地面模拟装置,重点对有机硅/SiO2杂化涂层以及新研制聚硅氮烷涂层的抗.AO、VUV侵蚀性能进行了系统研究。
综合空间环境地面模拟装置能够模拟原子氧、真空紫外、热循环三种空间环境因素。利用该装置可以获得高通量、大直径的AO束流,AO通量范围1015～1017atoms·cm-2·s-1,能量约为5 eV。在.AO暴露同时还可对样品进行真空紫外暴露和温度循环,真空紫外强度和热循环范围分别为0～7个太阳数和一196°～+200°。该装置配置了四极质谱仪和石英晶体微天平,具有原位监测挥发性气体种类和测量暴露试样质量变化的功能。
采用溶胶-凝胶工艺制备了有机硅/SiO2杂化涂层,并对其进行了暴露试验研究。结果表明,有机硅/SiO2杂化涂层能够对Kapton基体提供良好的保护作用。在AO暴露下,杂化涂层表面氧化生成一层富SiO2层。该富SiO2层能够阻止AO对涂层的进一步侵蚀。相对于有机硅涂层,有机硅/SiO2杂化涂层具有低的表面开裂趋势。在AO、VUV同时暴露下,VUV加剧了AO对有机硅/SiO2杂化涂层的侵蚀。当VUV强度在5个太阳数时,有机硅/20wt.％SiO2杂化涂层的AO侵蚀系数升高了39％。
利用磁控溅射方法在Kapton基体上沉积了致密、均匀的Si1-x-yCxNy涂层。对沉积的一种涂层Si0.26C0.43N0.31进行了AO、VUV暴露试验。结果表明,施加Si0.26C0.43N0.31涂层后,Kapton的AO侵蚀速率从10-24 cm3·atom-1下降到10-26 cm3·atom-1,降低了两个数量级。当存在5 suns强度的VUV辐照时,Si0.26C0.43N0.31涂层的AO侵蚀系数从1.5×10-26 cm3·atom-1升高到1.8×10-26 cm3·atom-1。与一般无机涂层(如SiO2、Al2O3)相比,Si0.26C0.43N0.31涂层具有低的AO侵蚀系数和良好的抗开裂性能。在AO暴露过程中,涂层表面没有出现明显的裂纹和“掏蚀”现象。
制备了一种具有良好抗AO、VUV侵蚀性能的新型聚硅氮烷(PSZ)涂层。相对于一般有机硅涂层,PSZ涂层在AO暴露下具有低的收缩趋势,不易发生“龟裂”状退化(“mud-tile”degradation)。尤其是在VUV同时辐照下,PSZ涂层的AO侵蚀速率会进一步下降。这是因为聚硅氮烷的化学稳定性较低,在AO、VUV辐照下,涂层表面易于形成一层富SiO2层,而且在该氧化过程中PSZ涂层的体积基本不发生收缩。因此PSZ涂层具有比一般有机硅涂层更为优异的抗AO、VUV侵蚀性能。
通过添加聚硅硼烷对聚硅氮烷涂层进行改性。原子氧暴露实验结果表明,改性后的聚硅氮烷涂层表面生成的氧化层变为玻璃相,使涂层具有自愈合性能,从而降低了涂层表面的开裂趋势和AO侵蚀速率。此外,通过降低有机组分含量,制备出了全氢聚硅氮烷涂层。和聚硅氮烷涂层相比,全氢聚硅氮烷涂层的抗AO侵蚀性能得到进一步改善。同时,全氢聚硅氮烷涂层也具有一定的自愈合性能,因为是涂层中活性Si易于发生氧化。
对有机硅/20 wt.％SiO2杂化涂层和磁控溅射沉积的Si0.26C0.43N0.31涂层进行了不同柬流通量的AO暴露,分析了AO束流通量对涂层抗AO侵蚀性能的影响。根据实验结果,提出了涂层AO侵蚀系数随AO束流通量变化的一种预测模型,并对预测模型的合理性进行了初步验证。