聚合物及复合材料的原子氧效应实验研究

多树旺 等 琅合物及复合材料的原子氧效应实验研究 聚合物及复合材料的原子氧效应实验研究 ’ 多树 旺 , , , 刘庭芝 , , 赵莉受 , , 王 鑫 , , 李美检 江西科技师范学院 江西省材料面工程重点实验室 , 江西 南昌 中科院金属研究所 沈阳材料科学国家 联合 实验室 , 辽宁 沈阳 摘 要 原子氧 是低地执道空间 中对航天器外 落材料危害性最大的环境 因素 。 在原子氧俊性地 面模 拟设备 中对策合物及破基复合材料进行 了幕落 实脸 , 并采用 和 等手段时幕落前后 试样表 面的变化进行 了研究 。 研 究结 果表明 , 由于原子孰活 性高 , 对材料表面有强 的氧化作用 , 导致材朴在原子氧 环境下都发生表面形貌变化 , 表面粗糙度明显增加 , 质 和 厚 度发 生 损 失 , 材 料 性 能 不 可进 免 地 会 下 降 。 的魏基与原子氧作用 时形成 或 , 随后 或 气体从表面脱附 。 这是原子氧造成采合物 材料降变的主要途径 。 关链词 原子权 聚合物 空间环境效应 腐蚀 中圈分类号 文献标识码 文章编号 一 】增刊一 一 氧环境下 , 都会产生质损 、厚度损失 , 热学 、 电学 、光学 、 机械 、表面形貌等参数变坏 。 空间材料的这种效应 , 对 飞行器的正常飞行构成危害〔, 一们 , 严重影响了航天器 的性能和寿命 , 制约了航天器发展计划的实施 。 研究 原子氧对空间环境的效应及机理 、 寻求抗原子氧的有 效防护方法 , 已成为 环境效应研究的一个热点课 题 。 原子载效应研究广泛采用 了地面模拟试验 , 以揭 示原子氧单因素与材料相互作用的机理 , 研究原子氧 能量 、通 对材料性能的影响 , 各种空间材料与防 护涂层的性能 。 本文利用原子载地面模拟设备对聚酞亚胺 、银及 其它一些空间材料的原子氧效应进行了研究 , 探讨了 原子氧对材料的俊蚀机理 实 验 引 盲 低地球轨道最重要 、最危险的环境因素是原子氧 环境 近地球轨道 环境中的原子氧对长期运行 于其间的空间站 、载人飞船 、资源探查卫星等空间飞行 器的材料具有严重的损伤 。 原子氧是一种高度活拨的 强氧化剂 , 即使在室温下的化学反应也 只需很低或无 需活化能 。 研究工作表明大部分空间材料暴露在原子 选择聚酸亚胺 、 聚四氟乙烯 、 聚 醋薄膜 、 康乙烯 、碳纤维 环氧树脂复合 材料 、石皿等作为实脸材料 试样制成 大小 , 经超声清洗 , 燕馏水洗涤并干燥后备用 原子载慕皿实验是在 自制的空间环境模拟装 中 进行的 具体的装 示意图如图 所示 。 , 已日 曲 ‘阶 图 原子筑地面模拟设备示意图 如图 所示本装置是通过采用徽波电子 回旋共 的高原子序数的金属板碰彼复合后产生原子氧束流 振 辆合氧气放电技术产生高密度的氧等 当氧等离子体中的粒子接近加有负偏压 的金属靶的 离子体 , 由磁场对氧等离子体约束后与施加一定偏压 表面时 , 由于负偏压 的作用 , 被加速 , 而 电子则被 · 荟金项 目 江西省自然科学基金资助项目 。 。。 江西省工业科技攻关资助项 目 城科发计字【 〕 收到稿件 日期 。。 一。 一 扭讯作者 多树旺 作者简介 乡树旺 一 , 男 , 博士 。 助 似 时 并 年增刊 卷 排斥 , 氧离子的能 大小由加速电压决定 。 被加速的 十 在进一步接近金属表面 时 , 金属中的一 些 电子会 因俄歇跃迁或共振跃迁而离开金属表面与氧离子中 和 , 形成中性氧原子 通过调整 中性化靶所加偏压 及改变暇离子的人射角度 , 可 以调整中性原子氧的能 量和反射后的角分布 同时由于带电粒子不能穿越磁 力线而飞向试样 , 因而 中性原子权束中不含氧离子和 电子 。 在本实验中所采用的原子氧的束流密度是 , 。 将试样称重后 , 于原子氧模拟试验装里中进行 暴礴实验 。 由于实验的环境是高真空的 , 试样在真空 腔内会发生真空排气效应 , 导致质量的损失 , 因此 , 进 行原子载基礴的试样都预先在原子氧设备的真空腔辐 照不到原子氧的位里一段时间后 , 取出称重后 , 迅速放 回进行原子载基尽实验 , 以消除真空排气的影响 。 为了侧得原子载俊蚀造成的试样质童变化曲线 , 在原子氧基璐期间间隔地取出试样用 一 型徽 量天平 精度 进行称重 , 然后迅速放人真空腔 内 , 继续进行原子 氧基璐实脸 应用 公司的 型扫描电子显徽镜 对暴露前后 的试样表 面进行形貌观察 利用美国 公 司 的 型 分析表面结构变化 。 空间环境中含氛聚合物的原子氧反应系数要 比普通碳 氢化合物小得多 而由上述数据计算得到的 的 原子氧剥蚀率为 一 ’屯 , , 比空间基尽结 果要大 , 但却与国内外其它地面模拟设备所得的结果 相当 。 在徽波放电等离子体型原子氧模拟设备中载原 子的能量是呈高斯分布的 , 部分氧原子能 较高 , 有可 能高于 中 的 一 键的键能 高能粒子 的碰撞可能会使材料的化学健断裂形成小分子的挥发 性产物 , 也为材料与载原子的反应提供了更多的机 会 高能粒子的碰拢可能是 材料产生质 损 失的一个重要因素 , 也是地面模拟设备中 的原 子氧反应系数远远高于空间结果的主要原因 。 其它材 料的原子载反应系数基本上与空间攀璐实验和国外地 面模拟设备试验结果一致〔卜幻 。 结果与讨论 图 为 种空间材料在原子氧环境暴露过程中侵 蚀动力学曲线 从图 可以看出这 种材料都受到了 严重的俊蚀 , 质 损失严重 可 以着出空间材料在原 子氧环境中基尽的质 损失随时间呈线性变化 。 通常 图 空间材料在原子氛幕尽过程 中的质 变化曲线 眼 图 为原子氧基礴前后的 、石墨 、碳纤维 环氧复合材料 、聚醋薄膜试样的表面形貌照片 。 而 从图 可 以看出 、石墨 、 聚醋薄膜攀璐前表 很严重 。 从碳纤维 环氧复合材料基礴前的表面形貌 面非常光滑 , 经大通 的原子氛基露后表面形貌出现 可以看出材料表面光滑 , 有亮泽 , 而且可 以着到环氧树 高低起伏呈沟壑状 , 说明原子氧对这几种材料的剥蚀 脂保护层 。 而暴露后的石墨纤维外部的环氧树脂保护 多树旺 等 聚合物及复合材料的原子氧效应实验研究 层已基本被剥蚀掉 , 剩下的是石墨纤维 。 说明原子氧 与碳纤维 环氧树脂作用时优先与环氧基底材料反应 这与文献〔〕报道的一致 。 原子氧与环氧反应的机制 为环氧基体和原子氧反应 , 基体分解为 一 一 , 一 , 一 和 一 自由基 , 这些 自由基从表面 剥落或挥发导致材料表面外形和质量损失 。 碳纤维 环氧树脂复合材料等在原子氧暴露过程中质 量损失都比较明显 , 且随原子氧暴露时间增加呈线性 变化 。 表面形貌发生 了明显的变化 , 攀露后 的表面明 显粗糙化 。 原 子氧会侵蚀材料的表面形 成气体而挥 发 , 导致材料的质量持续降低 图 采统亚胺在原子氧幕落前后 的 谱图 采用 考察聚酞亚胺原子间的结合键情况 数据不仅能反应表面的信息 , 而且也能反应基 体的信息 图 为聚酞亚胺薄膜在原子氧暴露前后的 透射光谱 。 发现原子氧基露后的 曲线 在 一‘处的透射率比暴露前明显增加 了 。 该处 的峰是由 一 一 结构引起的 中的亚胺基 团 。 一 ’处透射率的增加意味着聚酞亚胺薄膜 中 一 一 结构的减少 , 表明该基团在原子氧攀露 过程中受到俊蚀 , 可能会发生 一 键的断裂 , 生成气 体而挥发 与我们先前采用 分析的结果一致 〕。 结 论 聚酸亚胺 、聚四氟乙烯 、石墨 、聚乙烯 、 聚酣薄膜和 参考文献 〔〕 , 〔〕 , , 一 〕 哟 〕 段 , 一 〔〕 , 。 , 。 , , 一 〕 , , 叱 , , , 一 〔〕 , , 叱 , , 一 〕 , , 〕 一 , , 〕 , , 一 〔〕 , 址 , , 一 〕 , , , 。 即 一 」 一 姆 , , , 几 一 〔 〕 , , 呵 〕 , , 一 · , 一 , 一 , , 一 , 乙 , , , , , , 企 , , 一 一 路 , , 叮 川 加 二 州比 阮