王黑龍，Murray J. Vanessa，Minton K. Timothy，戴東旭，武博涵，楊 陽，車 麗

(1.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，大連116026；2. 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116023；3. 蒙大拿州立大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系，波茲曼59717；4. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；5. 航天材料與工藝研究所，北京100076;6.大連海事大學(xué)物理系，大連 116026)

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苯基硅橡膠熱控涂層材料抗原子氧腐蝕能力的研究

王黑龍1，2，Murray J. Vanessa3，Minton K. Timothy3，戴東旭2，武博涵4，楊 陽5，車 麗1，6

(1.大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，大連116026；2. 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116023；3. 蒙大拿州立大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系，波茲曼59717；4. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；5. 航天材料與工藝研究所，北京100076;6.大連海事大學(xué)物理系，大連 116026)

為了評(píng)估材料的抗原子氧腐蝕能力，首先在地面模擬設(shè)備上通過激光爆破法產(chǎn)生平動(dòng)能約為4.5 eV的原子氧束源，然后利用此高能氧束源對(duì)苯基硅橡膠熱控涂層材料進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)。材料受高能原子氧轟擊而導(dǎo)致的影響，分別通過質(zhì)量、X射線光電子能譜和掃描電鏡進(jìn)行表征。結(jié)果顯示，原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2及8.5×1020atoms/cm2暴露實(shí)驗(yàn)后，材料表面微觀形貌沒有明顯腐蝕，質(zhì)量有少許增加，表面化學(xué)組成發(fā)生明顯變化，分析認(rèn)為是形成非揮發(fā)性物質(zhì)SiOx。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，苯基硅橡膠熱控涂層材料具有優(yōu)越的抗原子氧腐蝕能力，推測(cè)其機(jī)理是形成的SiOx鈍化層作為保護(hù)層對(duì)其下方的材料進(jìn)行保護(hù)，阻止原子氧對(duì)材料進(jìn)一步腐蝕。

激光爆破；原子氧；苯基硅橡膠熱控涂層；抗腐蝕

0 引 言

低地球軌道環(huán)境對(duì)在軌飛行航天器的表面材料的主要影響因素包括：原子氧、真空紫外光、高低溫循環(huán)、高真空、電子與質(zhì)子輻射、空間碎片碰撞[1-4]。其中，原子氧在低地球軌道環(huán)境效應(yīng)中最嚴(yán)苛，這主要是因?yàn)樵谲壐咚亠w行的航天器與周圍原子氧的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度約為8000m/s，相當(dāng)于受到動(dòng)能約5eV原子氧的碰撞，同時(shí)原子氧具有極強(qiáng)的氧化能力，因此通常會(huì)導(dǎo)致材料表面腐蝕、氧化、降解、污染，進(jìn)而引起材料的機(jī)械、光學(xué)等性能的下降，甚至導(dǎo)致材料的性能“失效”，很大程度上縮短了航天器等的服役壽命[5]。因此，為了延長(zhǎng)航天器的使用年限和確保航天飛行任務(wù)的完成，航空航天領(lǐng)域外用材料的原子氧效應(yīng)一直以來都是低地球軌道環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6-15]。比如，原子氧效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于衛(wèi)星太陽翼基板、天線支撐結(jié)構(gòu)和相機(jī)的樹脂基材料，通過在樹脂基材料中摻入高模量的碳纖維或玻璃纖維，或引入有機(jī)硅等方法，纖維可直接對(duì)底層材料起到保護(hù)作用，而有機(jī)硅在原子氧的作用下可生成無機(jī)氧化硅層，進(jìn)而保護(hù)底層材料，因此樹脂基復(fù)合材料的抗原子氧剝蝕性都能得到明顯提高[16-19]。

硅橡膠體系材料是以Si-O-Si鍵為主鏈，側(cè)鏈可以為甲基、乙烯基或苯基等有機(jī)基團(tuán)的一種聚合物，主要成品有二甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠、甲基苯基乙烯基硅橡膠等。因具有良好的耐高低溫性、絕緣性、惰性，硅橡膠材料廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，而航天器運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)苛，環(huán)境效應(yīng)問題不可忽視，尤其是硅橡膠體系材料的抗原子氧腐蝕性問題。

在原子氧效應(yīng)方面，研究結(jié)果表明氧化硅保護(hù)層能有效提高材料的抗原子氧腐蝕性。原子氧與摻雜聚倍半硅氧烷的聚硅氧烷材料相互作用，隨著原子氧累積通量的增加復(fù)合材料表面會(huì)逐漸形成以SiO2為主的保護(hù)層，保護(hù)著材料不再受到原子氧的侵蝕[20]。而氟硅橡膠材料在原子氧地面模擬實(shí)驗(yàn)和在軌飛行試驗(yàn)中，受原子氧的轟擊作用導(dǎo)致材料表面生成很多裂痕，引起材料密封性能的急劇下降，這主要?dú)w因于原子氧的極強(qiáng)氧化性及材料本身化學(xué)、機(jī)械性能的不穩(wěn)定性[9]。在二甲基硅橡膠材料表面沉積二氧化硅薄膜后，同軸地面模擬原子氧束源暴露實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)二甲基硅橡膠材料的抗原子氧腐蝕能力有一定程度的提高[21]。美國(guó)航天局利用電子回旋共振等離子體源設(shè)備產(chǎn)生的原子氧束源研究了以甲基硅橡膠為基礎(chǔ)材料的原子氧效應(yīng)，原子氧累積通量5.6×1021atoms/cm2的暴露實(shí)驗(yàn)后，材料表面的紅外光譜結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Si-CH3所對(duì)應(yīng)峰的相對(duì)強(qiáng)度明顯降低，而Si-O-Si所對(duì)應(yīng)峰的相對(duì)強(qiáng)度卻相對(duì)升高，半高寬增加，這表明在原子氧暴露實(shí)驗(yàn)過程中，原子氧取代了甲基并在材料表面生成SiOx物質(zhì)，而SiOx物質(zhì)引起材料的粘合性有一定程度的降低[8]。

苯基硅橡膠，是在甲基乙烯基硅橡膠中以一定比例引入苯基制備而成，在航空航天應(yīng)用領(lǐng)域有取代甲基乙烯基硅橡膠材料的潛力與趨勢(shì)。但是關(guān)于苯基硅橡膠材料抗原子氧腐蝕的過程與機(jī)理并不清楚，同時(shí)在地面如何有效地模擬出低地球軌道環(huán)境下的原子氧束源也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。比如，美國(guó)宇航局采用的電子回旋共振等離子體源模擬出的原子氧束源主要成分是氧離子，中性原子氧能量在0.04 eV～0.1 eV，通量為4.4×106atoms/(cm2·s)，與航天器在軌運(yùn)行時(shí)受到轟擊的原子氧的能量(～5 eV)、通量(1015atoms/(cm2·s))相差較大[8]。

本文利用由激光爆破產(chǎn)生的高能原子氧束源研究了苯基硅橡膠熱控涂層材料的抗原子氧腐蝕性。通過原子氧暴露實(shí)驗(yàn)前后材料的質(zhì)量、表面化學(xué)、表面微觀形貌等變化，評(píng)估硅橡膠熱控涂層材料的抗原子氧腐蝕能力，揭示原子氧與材料之間的相互作用過程，探索其抗原子氧腐蝕機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料制備

將自制的氧化鋅、苯基硅橡膠按一定比例混合后，加入適量的溶劑并均勻攪拌，然后在球磨罐中進(jìn)行2～3 h的球磨，將得到的涂料進(jìn)行過濾之后加入固化劑并均勻攪拌，最后在鋁基試板上噴涂制備熱控涂層，在室溫環(huán)境下干燥固化約24 h后得到苯基硅橡膠熱控涂層材料樣品。

1.2 原子氧暴露實(shí)驗(yàn)

圖1 激光爆破法高能原子氧束源實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of high energy atomic oxygen beam experimental device by laser detonation

樣品的原子氧暴露實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高能原子氧束源實(shí)驗(yàn)裝置上完成。該裝置基于激光爆破法產(chǎn)生高能原子氧束源如圖1所示，背壓約為580psi的高純度氧氣(99.99%)通過壓電陶瓷脈沖閥進(jìn)入內(nèi)部鍍金、配備冷卻系統(tǒng)的錐形爆破裝置內(nèi)；由二氧化碳?xì)怏w激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)10.6μm的中紅外光，激光能量為7.5J/pulse，通過硒化鋅窗口進(jìn)入束源室腔體后，經(jīng)固定在距離爆破裝置喉部位置50cm處的鍍金凹面鏡(焦距f=50cm)反射、聚焦到錐形爆破裝置內(nèi)；通過高精度數(shù)字延時(shí)發(fā)生器調(diào)節(jié)中紅外光與脈沖閥之間的延遲，使氧氣和中紅外光同時(shí)達(dá)到爆破裝置的喉部位置，激光誘導(dǎo)氧氣發(fā)生劇烈爆破過程，產(chǎn)生高溫度、高密度的等離子體束源，在錐形爆破裝置的約束下，等離子體束源加速、碰撞、中和，最終產(chǎn)生中性的、高速的原子氧束源。

原子氧暴露實(shí)驗(yàn)中，直徑為1cm的樣品放置在距離束源約40cm處，此處束源截面直徑約為14cm，其中束源中心部分經(jīng)過束源室進(jìn)入主腔室，由電子轟擊電離型四極桿質(zhì)譜儀來探測(cè)束源成分，記錄束源各成分的飛行時(shí)間譜，處理后得到各成分的平動(dòng)能分布譜。實(shí)驗(yàn)中，關(guān)閉離化器，沒有探測(cè)到原子氧束源信號(hào)，可以確定該實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的高速氧束源中氧離子成分所占比例非常之小。如圖2所示，高能氧束源由85.4%的高能原子氧和14.6%的高能氧分子組成，對(duì)應(yīng)的平動(dòng)能分別為5.16eV和9.6eV，相應(yīng)的半高寬分別約為2.2eV和4.5eV，平動(dòng)能譜分布譜由采集到的束源各成分的飛行時(shí)間譜經(jīng)雅克比轉(zhuǎn)化得到。進(jìn)行了兩次原子氧暴露實(shí)驗(yàn)，原子氧束源的運(yùn)行頻率為2Hz，通過測(cè)試標(biāo)定樣品Kapton-H的腐蝕深度，結(jié)合其腐蝕率得到原子氧的通量分別為3.22×1015atoms/(cm2·s)和4×1015atoms/(cm2·s)，暴露時(shí)間分別為8.2h和58.3h，對(duì)應(yīng)的脈沖次數(shù)分別為59000shots和420000shots，對(duì)應(yīng)的累積通量分別為9.5×1019atoms/cm2和8.5×1020atoms/cm2，相當(dāng)于在低地球軌道環(huán)境下飛行26.4h和233.3h。

圖2 高能氧束源平動(dòng)能分布譜Fig.2 The translational energy distribution of high energy atomic oxygen beam

1.3 表征方法

暴露實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)定樣品聚酰亞胺薄膜的腐蝕深度由臺(tái)階儀(VeecoDektak 150)測(cè)量，為了減少誤差，在聚酰亞胺薄膜樣品表面的不同位置采取多次測(cè)量取平均值的方法；苯基硅橡膠樣品暴露實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量由微量天平(METTLER TOLEDO)測(cè)量，天平的精度為10-5g，為防止表面吸附的水的影響，抽真空處理后再測(cè)量；樣品表面的元素構(gòu)成由X射線光電子能譜儀(Thermo ESCALAB 250Xi)測(cè)試；表面微觀形貌通過掃描電子顯微鏡(JSM-7800F)來表征，由于樣品不導(dǎo)電，因此樣品首先在真空條件下進(jìn)行鍍金處理，金粉厚度約為10nm，然后再用雙面碳導(dǎo)電膠帶把樣品固定進(jìn)樣架上，最后進(jìn)行表面形貌測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 原子氧通量

標(biāo)定原子氧束源強(qiáng)度及累積通量所使用的樣品是聚酰亞胺(Kapton-H)薄膜，從美國(guó)杜邦公司購(gòu)買。聚酰亞胺薄膜，其原子氧腐蝕率相對(duì)比較穩(wěn)定，常用來標(biāo)定原子氧通量及樣品受轟擊累積通量[6]。根據(jù)累積通量式(1)

(1)

式中:F、h、σ分別對(duì)應(yīng)著聚酰亞胺樣品所受原子氧累積通量、原子氧腐蝕深度、受原子氧腐蝕率。σ值取3.0×10-24cm3/atom，為減少測(cè)量誤差，暴露試驗(yàn)后腐蝕深度由臺(tái)階儀在樣品表面的不同位置測(cè)量20次后取其平均值。兩次暴露實(shí)驗(yàn)中測(cè)得標(biāo)定樣品的平均腐蝕深度為分別2.84μm、25.10μm，按照式(1)對(duì)應(yīng)的原子氧累積通量為9.5×1019atoms/cm2、8.5×1020atoms/cm2。

2.2 化學(xué)組成

為了從微觀角度理解原子氧轟擊對(duì)樣品的影響，表面化學(xué)組成成分變化是主要途徑之一，常通過測(cè)試樣品的表面X射線光電子能譜進(jìn)行分析。原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2的暴露實(shí)驗(yàn)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的苯基硅橡膠樣品分別測(cè)試了X射線光電子能譜，關(guān)于樣品表面主要元素的詳細(xì)結(jié)果顯示在表1中。

表1 原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2暴露實(shí)驗(yàn)前后樣品主要元素相對(duì)濃度及比例關(guān)系Table 1 The relative concentration and proportion of main elements in samples before and after exposure experiment with a fluence of 9.5×1019atoms/cm2

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)前后樣品表面主要組成元素的相對(duì)濃度發(fā)生了明顯變化，主要變化是C元素相對(duì)濃度降低，O元素相對(duì)濃度升高，導(dǎo)致C∶Si比例降低與O∶Si比例升高。這一變化表明：受高能原子氧的轟擊，樣品表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致元素相對(duì)濃度發(fā)生變化，對(duì)暴露實(shí)驗(yàn)前后C1s、O1s及Si2p峰的詳細(xì)分析將解釋發(fā)生的反應(yīng)過程，結(jié)果如圖3所示。

圖3 原子氧累積通量9.5×1019 atoms/cm2暴露實(shí)驗(yàn)前后樣品表面X射線光電子能譜特征峰Fig.3 X-ray photoelectron spectroscopy characteristic peaks of sample surface before and after exposure experiment with a fluence of 9.5×1019 atoms/cm2

從圖3可以看出，與原樣品相比，受高能原子氧的轟擊，實(shí)驗(yàn)后樣品表面主要的特征峰發(fā)生了明顯變化，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：(1)特征峰峰位的移動(dòng)，(2)不同特征峰所占相對(duì)面積的變化。苯基硅橡膠是主鏈以Si-O-Si單元為主，側(cè)鏈以甲基、乙烯基、苯基等單價(jià)有機(jī)基團(tuán)為主的高聚合度大分子物質(zhì)，其中苯基相對(duì)于甲基和乙烯基，具有更強(qiáng)的耐腐蝕性和化學(xué)惰性，不易發(fā)生分解。在原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2暴露實(shí)驗(yàn)后，如圖3(a)所示，其C1s特征峰的主要變化是C-H峰相對(duì)強(qiáng)度稍微降低，C-Si-C峰相對(duì)強(qiáng)度則明顯增加；在圖3(b)中，可以看到O1s特征峰在實(shí)驗(yàn)后變的比較復(fù)雜，峰位向高結(jié)合能方向移動(dòng)，整個(gè)特征峰變得更寬；而在圖3(c)中發(fā)現(xiàn)，Si-C峰強(qiáng)度明顯降低，峰位向高結(jié)合能方向移動(dòng)，而Si-O峰則表現(xiàn)為相對(duì)強(qiáng)度明顯增加，峰位向高結(jié)合能方向移動(dòng)，整體峰變寬。對(duì)C1s和Si2p特征峰的不同化學(xué)鍵、所占相對(duì)面積比例的計(jì)算結(jié)果顯示在表2中。

表2 原子氧累積通量9.5×1019 atoms/cm2暴露實(shí)驗(yàn)前后樣品表面的C1s峰和Si2p峰的特征Table 2 Characteristic of C1s and Si2p in sample surface before and after exposure experiment with afluence of 9.5×1019 atoms/cm2

原子氧暴露實(shí)驗(yàn)中氧束源平動(dòng)能分布如圖2所示，高能原子氧占整體束源的92%，且最可幾平動(dòng)能為4.5 eV，因此原子氧很容易打斷Si-C鍵、C-C鍵、C-H鍵；同時(shí)，原子氧具有極強(qiáng)的氧化能力，能夠與上述化學(xué)鍵發(fā)生反應(yīng)[22]。從表2中看出，C-H鍵在C1s特征峰中所占相對(duì)面積比例從81.9%降到75.4%，而Si-C鍵在Si2p特征峰中所占相對(duì)面積比例從77.5%下降到58.4%?？赡艿脑蚴牵?1)高能原子氧打斷C-H鍵，原子氧結(jié)合H生成OH等揮發(fā)性物質(zhì)；(2)高能原子氧打斷Si-C鍵后，原子氧與Si結(jié)合生成非揮發(fā)性新物質(zhì)SiOx，原子氧還有可能與甲基、乙烯基和苯基中的C-H、C-C鍵發(fā)生反應(yīng)生成CO、CO2或OH等揮發(fā)性物質(zhì)。這些反應(yīng)過程引起的結(jié)果就是C-Si鍵和Si-O/SiOx鍵分別在C1s和Si2p特征峰中所占相對(duì)面積比例增加，其中最明顯的變化時(shí)Si-O/SiOx鍵在Si2p特征峰中所占相對(duì)面積的比例從22.5%增加到41.6%。從上述變化結(jié)果可推斷出：高能原子氧與苯基硅橡膠涂層材料相互作用過程中，樣品受高能原子氧的轟擊表面既有舊化學(xué)鍵的斷裂，即揮發(fā)性物質(zhì)的生成；同時(shí)還有新化學(xué)鍵的生成，即表面生成的非揮發(fā)性新物質(zhì)SiOx。

2.3 質(zhì)量變化

腐蝕深度、質(zhì)量損失率及質(zhì)量變化是常用來表征材料受暴露實(shí)驗(yàn)影響的宏觀信息[15, 23]。在原子氧累積通量9.5×1019atoms/cm2的暴露實(shí)驗(yàn)研究中，實(shí)驗(yàn)前，為減小表面吸附的水的影響，苯基硅橡膠熱控涂層材料樣品在真空腔體中抽真空2h后，由微量天平測(cè)其質(zhì)量為0.61171g；經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)8.2h的暴露實(shí)驗(yàn)后，測(cè)其質(zhì)量為0.61175g，相比之下，涂層材料樣品質(zhì)量增加了0.00004g。結(jié)合XPS分析結(jié)果認(rèn)為，該質(zhì)量增加是由于高能原子氧與苯基硅橡膠熱控涂層材料相互作用時(shí)既生成揮發(fā)性物質(zhì)又生成非揮發(fā)性新物質(zhì)SiOx，即既有使樣品質(zhì)量減小的生成物，又有使樣品質(zhì)量增加的生成物生成的綜合效果。

2.4 表面形貌

表征材料受原子氧暴露實(shí)驗(yàn)影響的主要微觀信息還包括表面微觀形貌，通過掃描電鏡進(jìn)行表征。在累積通量8.5×1020atoms/cm2的原子氧暴露實(shí)驗(yàn)后，對(duì)苯基硅橡膠涂層材料進(jìn)行了表面微觀形貌表征，來評(píng)估材料的抗原子氧腐蝕能力。

圖4 原子氧累積通量8.5×1020 atoms/cm2暴露實(shí)驗(yàn)前后樣品表面微觀形貌：(a)原樣品-2μm，(b)暴露后樣品-2μm，(c)原樣品-10μm，(d)暴露后樣品-10μmFig.4 SEM images of samples before and after exposure experiment with a total fluence of 8.5×1020 atoms/cm2:(a) control sample -2μm, (b) exposed sample -2μm, (c) control sample -10μm, (d) exposed sample -10μm

如圖4所示，原子氧累積通量8.5×1020atoms/cm2暴露實(shí)驗(yàn)前后樣品表面微觀形貌，最小尺度分別為2μm和10μm。圖4(d)中的深坑特征是在樣品制備過程中導(dǎo)致的，并非原子氧轟擊的結(jié)果。在暴露實(shí)驗(yàn)前后，樣品表面均有細(xì)小的凹陷及不規(guī)則的凸起特征。暴露實(shí)驗(yàn)后的樣品，表面相對(duì)光滑，但并沒有明顯的腐蝕特征。結(jié)合X射線光電子能譜測(cè)試結(jié)果，可以推斷出在，在原子氧暴露實(shí)驗(yàn)的前期階段，受高能原子氧的轟擊作用，材料表面生成揮發(fā)性物質(zhì)，如：CO、CO2、OH等；隨著原子氧累積通量的增加，生成的非揮發(fā)性物質(zhì)SiOx逐漸在表面累積形成保護(hù)層，因?yàn)镾i-O化學(xué)鍵的解離能為8.3 eV(遠(yuǎn)大于航天器表面材料受到轟擊的原子氧的平動(dòng)能5 eV)，因此SiOx物質(zhì)相對(duì)于原子氧是惰性的，這樣，生成的SiOx保護(hù)層對(duì)底部材料起到關(guān)鍵性的保護(hù)作用，使底部材料不再受到原子氧的轟擊而發(fā)生反應(yīng)受到腐蝕，這也是樣品即使在較大累積通量的暴露實(shí)驗(yàn)后樣品表面微觀形貌并沒有發(fā)生明顯特征變化的主要原因[24]。

3 結(jié) 論

通過苯基硅橡膠熱控涂層材料的原子氧暴露實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)實(shí)驗(yàn)后樣品質(zhì)量增加，表面微觀形貌無明顯腐蝕性特征；X射線光電子能譜結(jié)果認(rèn)為，材料受高能原子氧的轟擊，表面除有生成揮發(fā)性物質(zhì)外，還有生成的非揮發(fā)性新物質(zhì)SiOx等，而SiOx對(duì)于原子氧是相對(duì)惰性的，因此SiOx鈍化層保護(hù)著材料不再繼續(xù)被原子氧腐蝕。

(2)苯基硅橡膠熱控涂層材料表現(xiàn)出很好的抗原子氧腐蝕能力。

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通信地址：遼寧省大連市凌海路1號(hào)(116026)

電話：13795111359

E-mail: heilongwangdmu@163.com

武博涵(1971-)，女，高工，主要從事空間環(huán)境及航天器材料防護(hù)的研究。本文通信作者。

通信地址：北京市5142號(hào)信箱(100094)。

電話：(010)68745870

E-mail: bohanwoo@163.com

Minton K. Timothy，男，教授，主要從事空間飛行器的材料退化問題、極端條件下的基礎(chǔ)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和高能束用于解決實(shí)際問題的研究。本文通信作者。

E-mail：tminton@montana.edu

車 麗(1979-)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事空間環(huán)境下復(fù)合材料的抗原子氧腐蝕性研究及態(tài)態(tài)基元化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究。本文通信作者。

通信地址：遼寧省大連市凌海路1號(hào)(116026)

電話：18041151071

E-mail: liche@dlmu.edu.cn

Study on the Resistance of Thermal Control Coating of Phenyl Silicone Rubber to Hyperthermal Atomic Oxygen Attack

WANG Hei-long1,2, MURRAY J. Vanessa3, MINTON K. Timothy3, DAI Dong-xu2, WU Bo-han4, YANG Yang5, CHE Li1,6

(1.College of Environmental Sciences and Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. State Key Laboratory of Molecular Reaction Dynamics, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China;3. Department of Chemistry and Biochemistry, Montana State University, Bozeman 59717,USA;4. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China;5. Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076, China;6.Department of Physics, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

In order to assess the resistance ability of thermal control phenyl silicone rubber material to hyperthermal atomic oxygen, exposure experiments are carried out by use of an atomic oxygen beam with high kinetic energy of ～4.5 eV, which is produced in a ground-based atomic oxygen simulation facility based on the laser-detonation method. Sample mass measurement, X-ray photoelectron spectroscopy, and scanning electron microscopy are performed prior to and after exposure, to evaluate the changes in the material morphology and chemistry caused by a hyperthermal atomic oxygen attack. Results indicate that after exposure with fluences of 9.5×1019and 8.5×1020atoms·cm-2, the surface morphology doesn’t show obvious sign of erosion, the sample mass increases a little bit, and the surface chemistry changes obviously with the formation of the nonvolatile SiOx. It can be concluded that the thermal control phenyl silicone rubber has good resistance ability and is durable under the bombardment of the hyperthermal atomic oxygen. The proposed mechanism is that the formed SiOxpassivating layer acts as a protective layer protecting the underlying material from further erosion.

Laser detonation; Atomic oxygen; Thermal control phenyl silicone rubber; Corrosion resistance

2016-06-19;

2016-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(21473015,41574101)；全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)資金(201222);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(3132017067)

V

A

1000-1328(2017)06-0662-07

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.06.014

王黑龍(1988-)，男，博士生，主要從事空間環(huán)境下復(fù)合材料的抗原子氧腐蝕性研究。