牟永強(qiáng)，沈自才

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

空間太陽(yáng)近紫外輻照對(duì)ACR-1白漆表面導(dǎo)電性能的研究

牟永強(qiáng)，沈自才

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

通過(guò)試驗(yàn)研究了近紫外輻照對(duì)ACR-1白漆電學(xué)性能的影響，并用X射線(xiàn)光電子能譜儀和四極質(zhì)譜儀對(duì)ACR-1白漆的組分和狀態(tài)等進(jìn)行了分析，進(jìn)而對(duì)其電學(xué)性能變化的機(jī)理進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)：ACR-1白漆的表面電阻率隨著近紫外輻照度的增加而呈指數(shù)規(guī)律減小，并在大氣環(huán)境中存在“回復(fù)”效應(yīng)；氧化鋅的分解、吸附氧的減少和氧空位的增多是近紫外輻照后ACR-1白漆表面電阻率減小的主要原因。

近紫外輻照；防靜電；熱控涂層；電學(xué)性能

0 引言

熱控涂層是航天器熱控系統(tǒng)的重要組成部分，是利用涂層改變航天器的表面熱物理性質(zhì)，以便在輻射熱交換中有效地控制航天器的溫度，使之在內(nèi)外熱交換過(guò)程中儀器、設(shè)備的工作溫度不超過(guò)或低于允許范圍，以保證人造天體的正常工作環(huán)境。其原理是調(diào)節(jié)物體表面的太陽(yáng)吸收比αs和紅外發(fā)射率εh來(lái)控制物體的熱平衡[1]。

地球同步軌道（GEO）環(huán)境中存在的地磁亞暴環(huán)境有嚴(yán)重的充放電效應(yīng)，極地軌道的沉降電子會(huì)造成電荷在衛(wèi)星表面熱控涂層上積累，當(dāng)超過(guò)擊穿閾值時(shí)，衛(wèi)星表面將發(fā)生放電，這將對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生極大的破壞作用[2]。由于衛(wèi)星外表面大部分被用于溫控的熱控涂層所覆蓋，所以可以通過(guò)提高熱控涂層的導(dǎo)電性能來(lái)達(dá)到防靜電的目的，如在鏡反射熱控涂層外表面鍍一層氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜、在涂料型熱控涂層中添加導(dǎo)電組分等。具有導(dǎo)電性能熱控涂層也被稱(chēng)為防靜電熱控涂層。

ACR-1白漆是一種新型的白色防靜電涂層，采用表面包覆工藝將氧化鋅分散于含有重金屬離子的水溶液中，經(jīng)過(guò)濾烘干后在一定的溫度下燒結(jié)，得到防靜電的氧化鋅顏料；然后按一定的顏基比加入AC丙烯酸樹(shù)脂溶液和溶劑，采用球磨工藝將涂料的細(xì)度研磨后噴涂到衛(wèi)星天線(xiàn)等表面上。因此具有較強(qiáng)的結(jié)合力和可修補(bǔ)性，適于大面積噴涂[3]。

試驗(yàn)研究了，太陽(yáng)近紫外輻照對(duì)防靜電ACR-1白漆的電學(xué)性能的影響，并對(duì)其性能退化的原因和機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 輻照試驗(yàn)

試驗(yàn)是在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的空間綜合環(huán)境設(shè)備上進(jìn)行。試驗(yàn)所用近紫外源為汞氙燈光源，利用太陽(yáng)模擬器輻照裝置，具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所列。

表1 真空近紫外輻照試驗(yàn)參數(shù)表

表面電阻率采用原位測(cè)量[4]，裝置測(cè)量原理如圖1所示。用GENESIS 60S型X射線(xiàn)光電子能譜儀（XPS）對(duì)ACR-1白漆的組分進(jìn)行了分析，用TSPTT 200型四極質(zhì)譜儀對(duì)輻照前后的涂層放氣情況進(jìn)行了研究。

圖1 表面電阻率原位測(cè)量原理圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面顏色

將輻照前后的ACR-1白漆的表面顏色進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，近紫外輻照500 ESH后，白漆表面顏色由白色變?yōu)榈S色。

2.2 電學(xué)性能分析

ACR-1白漆的初始表面電阻率（SR）為5.3× 109Ω/□。在不同近紫外曝輻量下，對(duì)ACR-1白漆的表面電阻率進(jìn)行原位測(cè)量，結(jié)果如表2所列。在近紫外輻照500 ESH后，分別在7.6×10-4Pa、59 Pa、大氣狀態(tài)和在大氣狀態(tài)下40 min后對(duì)ACR-1白漆進(jìn)行表面電阻率測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

表2 不同近紫外曝輻量時(shí)ACR-1白漆的表面電阻率

對(duì)ACR-1白漆的太陽(yáng)近紫外輻照表面電阻率進(jìn)行擬合分析，如圖2所示。其擬合關(guān)系為公式（1）。

式中：χ為近紫外曝輻量，ESH；y為表面電阻率，Ω/□。

由圖2及公式（1）可知，ACR-1白漆的表面電阻率隨著近紫外曝輻量的增加而呈指數(shù)規(guī)律減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 ACR-1白漆的近紫外輻照表面電阻率變化

由圖3分析可知，樣品從真空狀態(tài)進(jìn)入大氣狀態(tài)后，表面電阻率升高，當(dāng)在大氣環(huán)境中放置一段時(shí)間后，表面電阻率進(jìn)一步升高。

3 機(jī)理研究

3.1 質(zhì)譜分析

為研究空間太陽(yáng)近紫外輻照對(duì)ACR-1白漆電學(xué)性能的影響，對(duì)ACR-1白漆的近紫外輻照Z(yǔ)n放氣情況進(jìn)行質(zhì)譜監(jiān)測(cè)研究，本底和放入ACR-1白漆后的近紫外輻照質(zhì)譜監(jiān)測(cè)圖譜如圖4和圖5所示。

圖3 ACR-1白漆近紫外輻照后表面電阻率變化

圖4 本底近紫外輻照Z(yǔ)n出氣質(zhì)譜圖

圖5 ACR-1白漆近紫外輻照Z(yǔ)n出氣質(zhì)譜圖

3.2 XPS分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證近紫外輻照后ACR-1白漆中Zn的存在形式，對(duì)近紫外輻照前后的ACR-1白漆進(jìn)行XPS分析，其Zn2p3譜峰圖分別如圖6和圖7所示。

圖7分析可知，Zn2p3譜峰圖中1 021.82/1 021.81表示以Zn的形式存在，其他譜峰均是ZnO的存在形式。因此，近紫外輻照后，以Zn形式存在的百分含量由14.82%增加到22.35%，對(duì)應(yīng)的以ZnO形式存在的Zn的總百分含量由85.18%降低到77.65%。這說(shuō)明有部分ZnO在近紫外輻照后有O解析出來(lái)，這將增加氧空位的含量。

圖6 輻照前ACR-1白漆Zn2p3能譜圖

圖7 近紫外輻照后ACR-1白漆Zn2p3能譜圖

為研究O元素的存在形式對(duì)ACR-1白漆電學(xué)性能的影響，對(duì)近紫外輻照前后ACR-1白漆的O元素進(jìn)行XPS測(cè)試分析，其O1s譜峰分別如圖8和圖9所示。對(duì)圖8和圖9分析可以看出，輻照前后薄膜表面的氧的O1s_a峰和O1s_b峰分別對(duì)應(yīng)于缺氧狀態(tài)和足氧狀態(tài)，缺氧狀態(tài)意味著白漆中氧空位的數(shù)目。近紫外輻照后，缺氧狀態(tài)O1s_a峰面積絕對(duì)值增加，這說(shuō)明氧空位數(shù)目增加。

3.3 機(jī)理研究

ACR-1白漆之所以具有導(dǎo)電性能，這是由于白漆中的ZnO是一極性半導(dǎo)體，具有纖鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)，氧離子以六角密堆方式排列，鋅離子占據(jù)了一半四面體的間隙位置，且其排列關(guān)系與氧離子相同。由于本征缺陷的存在，使ZnO具有N型電導(dǎo)。

由質(zhì)譜分析和XPS分析可以知道，在近紫外輻照后，ACR-1白漆內(nèi)有Zn元素釋放出來(lái)，這說(shuō)明在近紫外輻照下，ACR-1白漆中的ZnO顏料發(fā)生分解。ZnO顏料分解方程如公式（2）和（3）。

圖8 輻照前ACR-1白漆O1s能譜圖

圖9 近紫外輻照后ACR-1白漆O1s能譜圖

氧化鋅的分解，使O從材料中游離出來(lái)，同時(shí)可能產(chǎn)生填隙Zn原子，并造成白漆表面鋅富集，這是在近紫外輻照后，白漆表面顏色由白色變?yōu)榈S色的原因；另一方面，氧化鋅同時(shí)也產(chǎn)生自由電子，從而使表面電阻率降低，導(dǎo)電性能增強(qiáng)。

氧化鋅中，正負(fù)離子均具有封閉殼層的電子組態(tài)，氧化鋅的能帶由O2--滿(mǎn)的2p能級(jí)和Zn2+空的4s能級(jí)組成。當(dāng)離子相互靠近形成晶體時(shí)，這些能級(jí)就形成能帶：O2-滿(mǎn)的2p能級(jí)構(gòu)成價(jià)帶，Zn2+空的4s能級(jí)構(gòu)成導(dǎo)帶。氧化鋅中存在著氧空位本征缺陷，氧空位直接同白漆中的載流子濃度數(shù)量相關(guān)[5-6]。一個(gè)氧空位提供2個(gè)自由電子并在能帶結(jié)構(gòu)中引入施主雜質(zhì)能級(jí)。在近紫外輻照下，價(jià)帶電子獲得能量發(fā)生躍遷，部分躍遷的價(jià)帶電子到達(dá)導(dǎo)帶，成為自由電子，這是近紫外輻照后表面電阻率降低、導(dǎo)電性能變好的另一個(gè)原因。

當(dāng)將近紫外輻照后的ACR-1白漆逐漸回復(fù)到大氣狀態(tài)中后，ZnO表面將發(fā)生對(duì)氧的吸附，氧分子將與晶粒表層的電子相結(jié)合而帶負(fù)電，其反應(yīng)可用公式（4）和（5）表示：

ZnO表面對(duì)氧的吸附將引起其內(nèi)部自由電子的減少，從而引起ACR-1白漆表面電阻率的增加，導(dǎo)電性能變差。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究了空間太陽(yáng)近紫外輻照對(duì)ACR-1導(dǎo)電白漆表面導(dǎo)電性能的影響，經(jīng)機(jī)理分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）近紫外輻照引起ACR-1白漆中ZnO的分解，白漆表面顏色逐漸加深；

（2）近紫外輻照后ACR-1白漆的導(dǎo)電性能得到改善，其表面電阻率隨著近紫外曝輻量的增加而呈指數(shù)規(guī)律降低；

（3）ACR-1白漆在近紫外輻照結(jié)束至重新暴露大氣過(guò)程中存在一定的“回復(fù)”效應(yīng)，其表面電阻率隨著環(huán)境氣體壓力和時(shí)間的增加而增大；

（4）吸附氧的減少ZnO的分解和氧空位的增多是近紫外輻照后ACR-1白漆表面電阻率降低、導(dǎo)電性能改善的主要原因。

[1]閔桂榮.衛(wèi)星熱控制技術(shù)[M].北京：宇航出版社，1991：138-173.

[2]Garrett H B，Whittlesey A C，Stevens N J.Design guidelines for assessing and controlling spacecraft charging effects[M]. National Aeronautics and Space Administration，Scientific andTechnical Information Branch，1984：2361.

[3]曾一兵，羅正平，李穎，等.防靜電白色熱控涂層的耐空間環(huán)境及工藝性能[J].宇航材料工藝，2007，37（6）：21-24.

[4]全國(guó)絕緣材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，GB1410-1989，固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法[S].廣西：桂林電器科學(xué)研究所，1990.

[5]FanJCC，GoodenoughJB.X-ray photoemission spectroscopy studies of Sn doped indium oxide films[J].Journal of Applied Physics，1977，48（8）：3524-3531.

[6]陳猛，裴志亮，白雪冬，等.ITO薄膜的XPS和AES研究[J].材料研究學(xué)報(bào)，2000，14（2）：173-178.

SPACE SOLAR NEAR UV IRRADIATION EFFECT ON THE ELECTRICAL PROPERTY OF ACR-1 WHITE PAINT

MOU Yong-qiang，SHEN Zi-cai
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

In this article，we have test studied space solar near ultraviolet（UV）irradiation effect on the electrical property of ACR-1 white paint，and analyze the component and micromechanism of ACR-1 white paint by X-ray photoelectron spectrograph and quadrupole spectrometre，at last，discussed the electrical property change mechanism of ACR-1 white paint.Conclusion：the surface resistivity of ACR-1 white paint decreases with near ultraviolet irradiation，and has back effect in some extent when it returns in atmosphere.Decompose of ZnO，decrease of adsorb Oxygen and increase of oxygen vacancy are main causation of decrease of surface resistivity ofACR-1 white paint under near ultraviolet radiation.

near ultraviolet irradiation；antistatic；thermal control coating；electrical property

V443文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

1006-7086（2014）06-0328-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.005

2014-09-15

國(guó)家自然科學(xué)基金：41174166,51273052

牟永強(qiáng)（1980-），男，山東煙臺(tái)人，工程師，從事空間輻射效應(yīng)及空間碎片超高速撞擊技術(shù)研究。

E-mail：mouyongqiang511@163.com