李衍存，向宏文，張志平，秦珊珊，蔡震波

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

高軌衛(wèi)星在軌運行過程中會遭遇熱等離子體，極易在衛(wèi)星表面形成充放電效應，影響衛(wèi)星在軌可靠安全運行[1]。為控制高軌衛(wèi)星的表面充放電效應，NASA 和ESA 均要求衛(wèi)星表面熱控材料的外表面涂覆一層導電的氧化銦錫（indium-tin-oxide,ITO）[2-3]，并將ITO與衛(wèi)星結構地連接，以控制衛(wèi)星表面不同部位的相對電位差，從而降低發(fā)生表面放電的風險。

一些衛(wèi)星表面熱控材料是柔性的，例如Kapton[2]。柔性熱控材料在安裝過程中會被折疊，可能導致附著在熱控材料上的ITO膜破裂[4]，使ITO膜電阻增大，繼而導致衛(wèi)星表面電位升高，甚至超過安全閾值。

近年來，隨著材料科學的進展涌現(xiàn)出許多新型的透明導電薄膜材料，其中碳納米管膜因其柔性可折疊的特性，受到廣泛關注[5-6]，并且已經(jīng)被研究應用于航天器上作為外表面熱控材料[7-9]。Watson[10]從電阻率、光學特性、電荷耗散和堅韌性等方面研究了采用碳納米管透明導電膜代替ITO膜作為空間靜電耗散材料的可行性，結果表明：碳納米管透明導電膜的透過率為53%～87%，吸收率為0.02～0.35，發(fā)射率為0.52～0.67；而衛(wèi)星常用的ITO膜的透過率為82%～86%[11]，吸收率為0.06～0.38[12]，發(fā)射率為0.65～0.80[12]，可見碳納米管膜和ITO膜的光學特性接近。Watson 還定性驗證了碳納米管膜的可折疊性，并采用靜電充電方式證實了碳納米管膜不會發(fā)生電荷堆積；但未給出碳納米管膜電阻與折疊次數(shù)間的定量關系數(shù)據(jù)，也未給出碳納米管膜在空間低能電子輻照下的充電結果。

本文采用試驗手段，定量考查碳納米管透明導電膜經(jīng)過不同折疊次數(shù)后的電阻變化，同時采用keV 能量級的電子對碳納米管膜進行輻照充電試驗，并將碳納米管透明導電膜的特性與ITO膜的特性進行對比。

1 試驗樣品與方法

1.1 試驗樣品

碳納米管膜樣品采用噴涂法生產(chǎn)，厚度為25 nm。作為對比用的ITO膜采用磁控濺射技術生產(chǎn)，厚度為20 nm。

1.2 試驗方法

在室溫（25℃±5℃）條件下分別進行ITO膜和碳納米管膜的體電阻率測試、折疊后電阻測試以及低能電子充電試驗。在溫度20～30℃的變化過程中，文獻[13]給出的ITO膜電阻相對變化低于2.5%，文獻[14]給出的碳納米管膜電阻相對變化低于2.7%；且2種膜的電阻變化均遠低于折疊后的電阻變化數(shù)據(jù)，也低于電子束流的不均勻度，因此可不考慮室溫條件下溫度對本文試驗結果的影響。

1）體電阻率測試

將ITO膜、碳納米管膜裁剪為6.5 cm×6.5 cm 的方形樣品，按照ASTM D257[15]標準采用美國吉時利公司生產(chǎn)的Keithley 6517B靜電計和Keithley 8009電阻率測試儀組成的系統(tǒng)測試材料的體電阻率。

2）膜折疊后電阻測試

將ITO膜和碳納米管膜均裁剪為2 cm×2 cm和4 cm×4 cm 共2 種尺寸各3 個正方形樣品（如圖1所示），然后按照可對樣品造成最大破壞的彎折180°的方式進行折疊（彎折后的樣品如圖2所示）。

圖1 ITO膜和碳納米管膜試驗樣品Fig.1 Test samplesof ITOfilm and carbon nanotubefilm

圖2 折疊后貼導電銅箔的樣品Fig.2 Folded samples with conductivecopper foil

導電膜實際應用過程中一般采用人工方式處理，很難定量確定對膜所施加力的大小，因此從破壞導電膜層的角度進行折疊操作，且操作過程中須戴手套，避免手指污物對試驗結果造成影響。彎折操作會破壞折痕處的導電膜，造成該處電阻增大。由于折疊狀態(tài)的導電膜不適合采用Keithley 8009進行電阻率測試，故對樣品2條邊之間的電阻進行測試，對于正方形樣品，該方法可近似表征樣品的表面電阻率參數(shù)，具體方法為：在導電膜樣品兩端平行粘上寬0.3 mm 的導電銅箔，用Keithley 6517B的2個鱷魚夾夾住這2條導電銅箔，測量樣品的電阻以獲得折疊對膜電阻的影響，參見圖2。

3）低能電子充電試驗

在真空罐中對ITO膜和碳納米管膜采用低能電子進行充電試驗。按照NASA-HDBK-4002A[2]給出的GEO 90%最惡劣熱等離子體單麥克斯韋環(huán)境模型，熱等離子體中電子的典型能量為12 keV，密度1.12 cm-3，充電電流密度約0.33 nA/cm2，ESA推薦的最大充電電流考核值[3]為10 nA/cm2?；谝陨弦蛩兀疚脑囼瀸㈦娮幽芰吭O置為12 keV，電子束流范圍為0.3～11.3 nA/cm2，束流不均勻度小于10%。試驗配置如圖3所示：樣品尺寸均為11 cm×3 cm，導電膜面向電子源，接受電子束流照射，模擬在軌受到熱等離子體中電子輻照的狀態(tài)；背面絕緣基底通過普通雙面膠固定在導電樣品臺上，樣品臺與地連接，樣品3 cm 的一條邊通過導電銅箔與樣品臺連接，以確保導電膜接地；樣品臺上有法拉第杯，用于測量電子束流，如圖3(a)所示；樣品臺安置在真空罐中，放置樣品的一面正對低能電子源，如圖3(b)所示。樣品被低能電子照射會產(chǎn)生充電電位，采用TREK-341B非接觸式探頭，測量樣品上與接地點距離最遠位置處的電位，參見圖3(a)。

圖3 導電膜的充電試驗配置Fig.3 Conductive film charging test configuration

2 實驗結果

2.1 體電阻率測試結果

碳納米管膜和ITO膜的體電阻率測試結果見表1，可看到二者體電阻率接近。

表1 體電阻率測試結果Table 1 Volume resistivity test results

2.2 膜折疊前/后電阻測試結果

圖4給出了經(jīng)過不同折疊次數(shù)后碳納米管膜和ITO膜的電阻變化情況，其中每類樣品均包含3個樣品的平均值和標準偏差。

圖4 折疊后樣品電阻測試結果Fig.4 Sample resistance test results after folding

結果顯示，折疊操作對ITO膜破壞嚴重：ITO膜2 cm×2 cm和4 cm×4 cm 樣品的初始電阻分別為3.4 kΩ、2.7 kΩ；經(jīng)過2次折疊后，電阻分別變?yōu)?8.5 kΩ、19.5 kΩ，增大為初始值的7～20倍；經(jīng)過10次折疊后，電阻分別變?yōu)?.4 MΩ、518.0 kΩ，增大為初始值的192～706倍；經(jīng)過25次折疊后，電阻分別變?yōu)?.5 MΩ、3.0 MΩ，增大為初始值的1111～2794倍。

折疊操作對碳納米管導電膜的破壞遠低于對ITO膜的：碳納米管導電膜2 cm×2 cm 和4 cm×4 cm樣品的初始電阻分別為6.0 kΩ、4.1 kΩ；經(jīng)過25次折疊后，電阻分別變?yōu)?0.1 kΩ、11.9 kΩ，增大為初始值的3～4倍。

2.3 低能電子充電試驗結果

充電試驗時，電子束照射30 min 后對樣品的充電電位進行測量，結果見表2，由于樣品臺尺寸的限制，分別對ITO膜和碳納米管膜進行充電試驗，因此2次試驗的電子束流值略有差異。

表2 ITO膜和碳納米管膜充電試驗結果Table 2 Charging results of ITO film and carbon nanotube film

試驗結果顯示，2種材料的充電電位均在-1.0～0 V 左右，考慮到非接觸式電位計TREK-341B的測量誤差為±1 V，可認為這2種材料的充電電位接近0 V。同時認為，TREK-341B的測量誤差也可能是導致碳納米管膜充電電位測量值不規(guī)律的原因。

3 討論

3.1 不同尺寸樣品電阻折疊特性

由圖4可以看到，2 cm×2 cm 樣品的電阻在折疊前/后均大于4 cm×4 cm 樣品的電阻。折疊前，前者的電阻比后者的電阻大19%～26%；折疊后，前者的電阻約為后者的電阻的2～5倍。

折疊前樣品2片銅箔間的電阻R可采用公式R=r(W-2d)/(W?t)計算，其中r為導電膜體電阻率，Ω·cm；W為樣品寬度，cm；d為銅箔寬度，cm。2 cm×2 cm 樣品和4 cm×4 cm 樣品的銅箔寬度均為0.3 mm，因此，折疊前，2 cm×2 cm 樣品的電阻應比4 cm×4 cm 樣品的電阻大18%，與實際測量得到的19%～26%非常接近。

折疊后，2 cm×2 cm 樣品的電阻也大于4 cm×4 cm 樣品的電阻，這主要是由于操作方式帶來的差異。為模擬人工實際操作時可能發(fā)生的最壞情況，采用手指擠壓方式對樣品進行折疊，如圖5所示，手指寬度約為2 cm，因此操作1次即可實現(xiàn)對2 cm×2 cm 樣品的折疊。而對4 cm×4 cm 樣品則需要多次擠壓才可實現(xiàn)折疊，樣品部分位置可能折疊不到位，導電膜未被破壞，導致樣品折疊后的電阻值低于2 cm×2 cm 樣品折疊后的電阻值。

圖5 樣品折疊方式Fig.5 Samplefolding method

3.2 充電特性

試驗時，ITO膜和碳納米管膜在12 keV、0.3～11.3 nA/cm2電子束流照射下的充電電位均在測試儀器的測量誤差范圍內，接近0 V。

采用文獻[16]中的電位分析方法對樣品在電子束流照射下的充電電位進行理論分析，不過，文獻[16]中分析的是材料的表面電阻率ρS，本文測量得到的是材料的體電阻率ρV，二者間的換算關系為ρS=ρV/t，其中t為膜厚度，cm。

采用表1電阻率測試結果和表2電子束流數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻[16]中的電位計算方法可得到ITO膜和碳納米管膜的充電電位理論估計值，見表3。充電電位理論值均低于-1 V，與試驗測量得到的接近0 V 的結果一致。由于碳納米管膜和ITO膜的電阻率接近，二者充電電位的試驗值和理論值亦均十分接近。

本試驗中采用的TREK-341B是充電電位測量的常用設備。受限于其測量誤差，目前試驗得到的充電電位均接近0 V；為獲得可觀測的充電電位，應進一步提高樣品的充電電位。根據(jù)文獻[16]的理論，充電電位主要與材料樣品長度、表面電阻率和充電電流3個因素相關，而樣品長度受限于電子束流均勻照射面積和樣品臺尺寸，難以再增大；材料的表面電阻率是其固有參數(shù)。根據(jù)NASA-HDBK-4002A[2]給出的不同充電電流發(fā)生概率，充電電流越大、發(fā)生概率越低，空間產(chǎn)生0.7～0.8 nA/cm2充電電流的概率為每年0.1%；本次試驗根據(jù)ESA 推薦的最大充電電流考核值[3]10 nA/cm2進行，而該充電電流的空間發(fā)生概率極低，且屬超嚴酷考核的工程設計值，進一步增大電子束流已無法反映空間實際充電電流情況，且10 nA/cm2已接近試驗設備的極限能力。因此，目前沒有進一步增大電子束流的必要性和可行性。綜上，雖然現(xiàn)有試驗條件下難以獲得2種樣品充電電位可觀測的結果，但目前充電電位接近0 V 的試驗結果已對低于-1 V 的充電電位理論值進行了驗證。

表3 導電膜充電試驗值與理論估計值Table 3 Test results and estimated values of charging potential of conductive film

3.3 導電膜破壞對充電控制的影響

NASA-TP-2361中要求金屬化介質材料的接地電阻不超過10 MΩ，以避免材料在空間中的充電電位超過500 V 并發(fā)生放電，影響電子元器件的正常工作。

本次試驗中，ITO膜和碳納米管膜經(jīng)過25次折疊后的電阻分別增加為9.5 MΩ、20.1 kΩ?？梢钥吹絀TO膜的電阻已經(jīng)十分接近NASA-TP-2361的控制要求，而碳納米管膜的則還低至少2個數(shù)量級。

因此從充電控制的角度，地面折疊等操作對碳納米管膜的影響遠低于對ITO膜的，并且遠低于標準中的控制要求。

4 結束語

本文研究了碳納米管膜的電阻經(jīng)過折疊后的變化，并采用低能電子輻照的手段獲得了碳納米管膜的充電特性，并與ITO膜進行比較發(fā)現(xiàn)：碳納米管膜和ITO膜的體電阻率分別為0.12Ω·cm、0.15Ω·cm；2種材料在低能電子輻照下的充電電位接近，試驗值和理論值均為0 V 左右。但是，碳納米管膜的折疊特性優(yōu)于ITO膜，經(jīng)過25次折疊后，碳納米管膜的電阻從初始4.1～6.0 kΩ變?yōu)?1.9～20.1 kΩ，增大為初始值的2～3倍，并且遠低于充電控制要求的10 MΩ；而ITO膜的電阻從初始2.7～3.4 kΩ變?yōu)?.0～9.5 MΩ，增大為初始值的1111～2794倍，已接近充電控制要求的10 MΩ。

綜上所述，碳納米管膜的體電阻率、充電特性與ITO膜接近，但經(jīng)過折疊后的電阻變化遠低于ITO膜的，故從衛(wèi)星表面充電控制的角度考慮，碳納米管膜的性能優(yōu)于ITO膜。

從航天工程實際應用角度，還需進一步研究碳納米管膜噴涂在聚酰亞胺基底材料上的可靠性，及其在紫外輻照、電離總劑量輻照等條件下的性能變化是否滿足空間應用要求。