李中華，何延春，王志民，李 林

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

原子氧（Atomic Oxygen）是由太陽(yáng)紫外光（波長(zhǎng)＜243 nm）離解低地球軌道環(huán)境中的殘余氧分子而形成的。低軌道原子氧的密度在109～105cm-3左右，航天器高速飛行（7.8 km/s）增大了原子氧對(duì)航天器表面材料的撞擊能量（～5 eV）和通量。軌道越低，航天器表面經(jīng)受的原子氧通量越大。原子氧是極強(qiáng)的氧化劑，可對(duì)航天器表面的有機(jī)材料和部分金屬材料產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化剝蝕作用，導(dǎo)致材料厚度減薄、表面形貌變化、熱學(xué)/電學(xué)性能改變，甚至完全失效。如：厚度25μm的聚酰亞胺（PI）材料暴露在400 km軌道約10個(gè)月后，將會(huì)被原子氧完全剝蝕。因此，原子氧是低軌道長(zhǎng)壽命航天器在軌高可靠運(yùn)行的最大威脅。

NASA《低軌道材料選擇指南》等相關(guān)報(bào)告指出，防護(hù)涂層（SiOx-PTFE、硅氧烷等）經(jīng)2.5×1022atoms/cm2原子氧作用后的質(zhì)量損失率（基底+防護(hù)涂層）小于7.24×10-4g/cm2，就能滿足空間站15年的原子氧防護(hù)需求，并以此推算出在軌15年后的壽命末期，表面沉積了防護(hù)涂層的PI剩余質(zhì)量仍然有79%。SiOx-PTFE涂層已經(jīng)在國(guó)際空間站（ISS）上運(yùn)行超過(guò)15年，為空間站太陽(yáng)翼提供了良好的原子氧防護(hù)。

我國(guó)“天和”空間站運(yùn)行在300～400 km低地球軌道，設(shè)計(jì)壽命15年，空間站上新型大面積柔性太陽(yáng)翼使用了大量的PI。在軌期間，空間站迎風(fēng)面經(jīng)受的原子氧累積通量將達(dá)到7.83×1022atoms/cm2，原子氧剝蝕效應(yīng)將嚴(yán)重影響空間站表面材料的性能和壽命，必須對(duì)其表面進(jìn)行原子氧防護(hù)。

蘭州空間技術(shù)物理研究所采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)為空間站柔性太陽(yáng)翼板間電纜研制了一種硅氧烷防護(hù)涂層，如圖1所示。該涂層厚度約為400 nm，表面結(jié)構(gòu)以-[-Si-O-Si-]-為主，而內(nèi)層結(jié)構(gòu)中含有一定的甲基（-CH3）基團(tuán)。因此，硅氧烷涂層既具有良好的原子氧防護(hù)性能，又具有較好的柔韌性。該涂層在地面模擬試驗(yàn)中經(jīng)2.5×1022atoms/cm2原子氧作用后的質(zhì)量損失率僅為3.3×10-4g/cm2，約為ISS太陽(yáng)電池陣表面SiOx-PTFE復(fù)合防護(hù)涂層在相同條件下質(zhì)量損失率（7.24×10-4g/cm2）的50%。硅氧烷涂層為我國(guó)空間站太陽(yáng)翼板間電纜披上了一層防護(hù)“鎧甲”。

圖1 我國(guó)空間站新型大面積太陽(yáng)翼及沉積了保護(hù)涂層的板間電纜

關(guān)鍵詞：空間站；原子氧；PECVD；聚酰亞胺；防護(hù)涂層

Key words：space station；atomic oxygen；PECVD；PI；protective coating

中圖分類號(hào)：V445文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1006-7086（2021）03-0306-01

DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2021.03.20