王志浩，白羽，田東波，李蔓

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

美國(guó)在1969—1972年間先后完成了6次載人探月任務(wù)，所有到達(dá)過(guò)月面的宇航員都發(fā)現(xiàn)月塵帶來(lái)的麻煩遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了想象。其中最顯著的問(wèn)題是月塵顆粒具有超強(qiáng)的粘附性，附著并污染表面，造成熱控系統(tǒng)故障、密封失效和機(jī)構(gòu)卡死，磨損材料以及產(chǎn)生放電干擾。研究月塵粘附特性，確定月塵顆粒與材料間的粘附力，是研究月面月塵效應(yīng)進(jìn)而采取防護(hù)措施的基礎(chǔ)性關(guān)鍵問(wèn)題。

國(guó)外研究表明，月表的高真空度和輻射環(huán)境是導(dǎo)致月塵具有極強(qiáng)粘附性的重要原因。Adrienne Dove等[1]分析了月塵顆粒受到的范徳華力和靜電力，認(rèn)為表面能、粗糙度、力學(xué)和電學(xué)特性是影響顆粒粘附的主導(dǎo)因素。Otis R.Walton[2]較詳細(xì)地分析了月塵的粘附特性，從月塵物理特性入手分析了月面條件下作用于顆粒的基本力，認(rèn)為表面能相關(guān)的粘附力（范徳華力）以及靜電力是構(gòu)成顆粒粘附力最重要的基本力。Cynthia M.Katzan等[3]詳細(xì)分析了月面自然及人為活動(dòng)條件下月塵輸運(yùn)及沉積的量，在此基礎(chǔ)上分析了輻射器及太陽(yáng)電池在月塵粘附條件下的遮蔽效應(yīng)。Stephen Berkebile等[4]研究了真空條件下火山玻璃與航天器材料之間的粘附力，認(rèn)為粘附性主要是由于靜電吸引和較高表面能作用引起。

月塵的粘附性一方面是由于月塵顆粒自身的物理特性（粒徑、表面形貌和低電導(dǎo)性），另一方面是由于月表特殊的環(huán)境，主要是高真空和輻射環(huán)境，導(dǎo)致月塵累積并保持電荷而產(chǎn)生的。因此在地面測(cè)試模擬月塵顆粒需要考慮真空輻射環(huán)境，只有在真空輻射環(huán)境下測(cè)試顆粒粘附力，才能較為接近地反映月表月塵粘附的特性。

1 顆粒粘附力測(cè)試技術(shù)對(duì)比分析

為研究適用于模擬月塵顆粒粘附力測(cè)試方法，分析調(diào)研了大氣條件下顆粒物粘附力的測(cè)試方法，包括原子力顯微鏡（AFM）測(cè)試方法、離心測(cè)試方法、靜電測(cè)試方法、振動(dòng)分離測(cè)試方法、激光測(cè)試方法。在此基礎(chǔ)上分析確定上述測(cè)試方法是否適用于真空輻射環(huán)境。

1）AFM測(cè)試方法?；镜臏y(cè)試原理是將顆粒固定在AFM的探針上，精確控制顆粒與平板材料之間的距離，受粘附力的作用，探針懸臂會(huì)發(fā)生形變，利用激光測(cè)試的方式可以測(cè)量探針懸臂的偏移量。AFM測(cè)試獲得力與位移的變化曲線如圖1所示[5]。文獻(xiàn)[6]利用AFM測(cè)試方法測(cè)試了飛灰顆粒與石墨表面間粘附力的變化規(guī)律，為此特意對(duì)探針進(jìn)行了處理：利用一根玻璃微針將環(huán)氧樹脂膠粘到AFM原有金字塔針尖靠?jī)?nèi)的一側(cè)，然后用另一根微針粘取事先分散好的飛灰顆粒，將其放置到膠上。

圖1 使用AFM顆粒附著力測(cè)量示意Fig.1 Schematic view of grain adhesion force test using AFM

2）離心測(cè)試方法。基本原理是使顆粒及所粘附的平面材料一起旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，材料表面粘附的顆粒會(huì)受到離心力的作用。隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大，離心力也隨之增大，當(dāng)離心力能夠滿足克服粘附力脫離時(shí)，粘附顆粒會(huì)脫離甩出，根據(jù)此時(shí)的轉(zhuǎn)速可近似計(jì)算得到顆粒粘附力。文獻(xiàn)[7]給出了一種離心法測(cè)試顆粒粘附力的測(cè)試裝置，如圖2所示。該試驗(yàn)裝置包括連接筒（A）、基底材料（B，表面粘附顆粒物質(zhì)）和分離顆粒限位筒。試驗(yàn)時(shí)，逐漸提高轉(zhuǎn)速，到達(dá)臨界值時(shí)，基底材料上的顆粒會(huì)脫離并掉落進(jìn)入分離顆粒限位筒中。

圖2 離心測(cè)試裝置Fig.2 Device of centrifuge test

3）靜電測(cè)試方法?；驹硎菍щ婎w粒置于均勻電場(chǎng)中，根據(jù)顆粒帶電極性合理設(shè)置電場(chǎng)極性，使顆粒受到垂直向上的電場(chǎng)力。逐漸增大電場(chǎng)強(qiáng)度到一定值，使顆粒所受電場(chǎng)力能夠克服重力和粘附力，此時(shí)顆粒垂直向上運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)[8]給出了一種靜電法測(cè)試顆粒粘附力的測(cè)試裝置，如圖3所示。平行電極板提供均勻電場(chǎng)，表面粘附顆粒的材料水平放置于下電極上，逐漸增加兩極板間電壓到臨界值時(shí)，顆?？朔掣阶饔茫牧舷蛏蠘O板運(yùn)動(dòng)。眾多顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流的流動(dòng)情況可以通過(guò)電流計(jì)測(cè)量，微弱的電流信號(hào)可通過(guò)放大調(diào)理電路最終得到顆粒黏附力。

圖3 靜電測(cè)試裝置Fig.3 Device of electrostatic test

4）振動(dòng)分離測(cè)試方法。基本原理是控制顆粒及所粘附的平面材料一起做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加速度達(dá)到某一臨界值時(shí)，顆粒會(huì)由于慣性脫離平板材料，根據(jù)此時(shí)的加速情況可間接衡量顆粒平板間的粘附力。文獻(xiàn)[9]給出了一種振動(dòng)分離法測(cè)試顆粒粘附力的測(cè)試系統(tǒng)，如圖4所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)包括測(cè)試試樣（表面粘附有顆粒的平板材料）、振動(dòng)臺(tái)、加速度測(cè)試裝置、攝錄裝置及其他輔助設(shè)備。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制振動(dòng)臺(tái)做加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用攝錄裝置記錄顆粒的運(yùn)動(dòng)情況。試驗(yàn)完成后，分析處理圖像資料獲得顆粒脫離基底的準(zhǔn)確時(shí)間，再查找確認(rèn)該時(shí)刻振臺(tái)的加速度即可計(jì)算得到顆粒粘附力。

圖4 振動(dòng)分離測(cè)試系統(tǒng)Fig.4 Schematic view of vibration detachment system

5）激光測(cè)試方法。基本原理是使用脈沖激光照射顆粒，顆粒受到瞬時(shí)的光壓力。當(dāng)光壓力能夠克服顆粒粘附力時(shí)，顆粒會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)刻的脈沖激光光壓來(lái)間接衡量顆粒粘附力。文獻(xiàn)[10]給出了一種激光測(cè)試顆粒粘附力的測(cè)試系統(tǒng)，如圖5所示。試驗(yàn)系統(tǒng)包括激光器、樣品盒（內(nèi)有玻璃材質(zhì)的球形顆粒）、攝錄顯微系統(tǒng)、激光能量計(jì)及輔助設(shè)備組成。試驗(yàn)時(shí)從激光器出來(lái)的脈沖光入射到樣品上，產(chǎn)生的強(qiáng)大光壓可以克服樣品和底面的粘附力，光路中的石英玻璃片分出一束光，用來(lái)監(jiān)測(cè)脈沖光的能量。在樣品盒上方用一物鏡配合CCD組成一套顯微系統(tǒng)，并連接到計(jì)算機(jī)以監(jiān)測(cè)襯底表面樣品的分布情況。

圖5 激光測(cè)試系統(tǒng)Fig.5 Schematic view of laser test system

對(duì)上述測(cè)試方法是否適用于真空輻射環(huán)境進(jìn)行總結(jié)分析，其中AFM測(cè)試法需在懸臂梁尖端固定顆粒，工藝要求高，顆粒與平面材料間的距離為設(shè)定值，不能反映顆粒與材料接觸的真實(shí)情況；另外AFM為成品儀器設(shè)備，很難在測(cè)試的同時(shí)提供真空輻射環(huán)境。離心法在高速旋轉(zhuǎn)的條件下記錄和判斷顆粒的脫離較困難，所需處理數(shù)據(jù)量大，對(duì)于粒徑太小的顆粒，離心力可能不足以克服粘附力作用，另外離心法所用設(shè)備存在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在真空條件下無(wú)法提供全向輻射。采用靜電法測(cè)試粘附力時(shí)，被測(cè)顆粒必須帶電，文獻(xiàn)[8]的測(cè)試系統(tǒng)中的電流計(jì)僅能測(cè)量運(yùn)動(dòng)電荷攜帶的部分電荷，且顆粒帶電量未知，無(wú)法僅根據(jù)電壓值解算粘附力。振動(dòng)分離法對(duì)于粒徑太小的顆粒，加速慣性可能不足以克服粘附力作用，也很難在真空輻射條件下實(shí)施。激光測(cè)試法對(duì)光路調(diào)節(jié)要求較高，同樣難以在真空輻射條件下實(shí)施。

通過(guò)對(duì)上述測(cè)試方法的分析，發(fā)現(xiàn)已有測(cè)試手段并不適用于真空輻射條件下的顆粒粘附力測(cè)試，因此需有針對(duì)性地開(kāi)展研究工作。

2 基于靜電場(chǎng)下顆粒運(yùn)動(dòng)的粘附力測(cè)試方法

2.1 測(cè)試原理

鑒于靜電法測(cè)試顆粒粘附力的主要難點(diǎn)是無(wú)法確定顆粒帶電電量Q，因此需要通過(guò)必要的方法，聯(lián)立求解粘附力Fa和Q。文獻(xiàn)[11]給出了一種基于靜電場(chǎng)條件下顆粒運(yùn)動(dòng)的粘附力求解方法，基本原理如圖6所示。

圖6 測(cè)試原理Fig.6 Principle of the test

如圖6所示，將一個(gè)帶電量為q的顆粒置于一對(duì)平行板電極的下電極上，在上下電極之間加載電壓產(chǎn)生均勻電場(chǎng)E，則顆粒受到垂直向上的電場(chǎng)力FE，此外顆粒還受到重力G和粘附力Fa的作用，受力情況如圖6中實(shí)線顆粒所示。緩慢提升加載電場(chǎng)，則必然存在某個(gè)時(shí)刻t0，此時(shí)電場(chǎng)力FE等于粘附力Fa與顆粒重力G之和。t0時(shí)刻之后，由于電場(chǎng)力大于粘附力，顆粒向上運(yùn)動(dòng)。隨著顆粒與平板材料的脫離，粘附力急劇減小，可以認(rèn)為此時(shí)顆粒僅受重力G和電場(chǎng)力FE的作用，做恒定加速度運(yùn)動(dòng)，受力情況如圖6中虛線顆粒所示。假設(shè)在t0+t1時(shí)刻，顆粒運(yùn)動(dòng)至上極板位置，由于兩個(gè)極板之間的距離d衡定，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)定律可計(jì)算得出顆粒帶電量q和粘附力Fa，如式（1），（2）所示。

式中：m為顆粒質(zhì)量；U為t0時(shí)刻的外加電壓。

由式（1）和式（2）可知，m，d，G值很容易獲得，U為外加電壓值，可直接讀取，因此測(cè)試的關(guān)鍵就變成了對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1的測(cè)量。擬通過(guò)高速攝像機(jī)記錄顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從中提取并計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1。

2.2 測(cè)試技術(shù)方案

利用北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的月塵沉積與吸附試驗(yàn)系統(tǒng)，配合真空內(nèi)顆粒粘附力測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。試驗(yàn)系統(tǒng)由真空容器、真空測(cè)量裝置、高壓電源、高速攝錄系統(tǒng)、輻射源及配套電源、樣品臺(tái)及測(cè)試裝置組成。試驗(yàn)時(shí)將測(cè)試裝置放置在真空容器內(nèi)的樣品臺(tái)上，使用輻射源輻照測(cè)試裝置內(nèi)的模擬月塵顆粒，逐漸調(diào)高測(cè)試裝置電壓，利用觀察窗外的高速攝錄系統(tǒng)拍攝顆粒的運(yùn)動(dòng)情況。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)Fig.7 Schematic view of the test system

圖8 真空輻射條件下顆粒粘附力測(cè)試裝置Fig.8 Device schematic of grain adhesion force test in vacuum and radiation conditions

設(shè)計(jì)的真空內(nèi)測(cè)試裝置如圖8所示，試驗(yàn)裝置由上電極板、下電極板、載塵板、支撐柱以及電極接線端子組成。支撐柱選用絕緣材料，真空室外的高壓電源通過(guò)穿真空法蘭連接在上下電極接線端子上。需要說(shuō)明的是，如果要測(cè)試的平面材料為導(dǎo)體，則直接使用該導(dǎo)體材料按照指定的工藝加工下電極。如果需要測(cè)試的平板材料為絕緣體，則需要緊貼絕緣體放置板狀導(dǎo)體電極，此時(shí)計(jì)算電場(chǎng)大小時(shí)需考慮電介質(zhì)厚度。

測(cè)試基本過(guò)程：首先將顆粒試樣放置在下電極上/載塵板上，連接真空容器內(nèi)外線纜之后關(guān)閉真空容器，打開(kāi)真空獲取裝置直到指定真空度；調(diào)節(jié)紫輻射源以指定的方式使顆粒試樣帶電；以非常緩慢的速度調(diào)高壓電源，同時(shí)開(kāi)啟高速攝錄裝置進(jìn)行拍照或者攝像；記錄顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)刻的電壓U，根據(jù)捕捉到的顆粒運(yùn)動(dòng)圖像計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)加速度，根據(jù)式（1）和式（2）即可得顆粒平面材料間的粘附力以及顆粒荷電電量。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)真空輻射條件下測(cè)試顆粒粘附力的需求，分析調(diào)研了5種大氣條件下顆粒物粘附力的測(cè)試方法，對(duì)其在真空輻射下條件下的適用性進(jìn)行了討論。分析結(jié)果表明，現(xiàn)有測(cè)試方法并不適用于模擬月塵顆粒的粘附力測(cè)試。文中設(shè)計(jì)了基于真空輻射條件下顆粒物運(yùn)動(dòng)的粘附力測(cè)試方法，能夠較為簡(jiǎn)便地給出顆粒粘附力和帶電量的數(shù)值。結(jié)合測(cè)試特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了初步的測(cè)試方案，給出了試驗(yàn)系統(tǒng)和真空內(nèi)測(cè)試裝置的初步設(shè)計(jì)，后續(xù)將開(kāi)展進(jìn)一步的分析測(cè)試工作。

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