原子氧防护薄膜湿化学制备方法及其空间性能研究

大面积低成本制备空间原子氧防护薄膜技术，一直是制约低地轨道长寿命航天器发展的难点和瓶颈。本研究针对空间环境效应对航天器材料造成的侵蚀失效，性能下降，寿命短等问题，采用液相沉积及微波辅助、水热辅助等湿化学方法，在空间高分子材料基体表面制备耐原子氧侵蚀和紫外辐照的防护薄膜。该研究通过高分子材料表面修饰、有机硅过渡层引入、单分散纳米晶沉积和界面形态控制等方法，最大限度的降低薄膜与基体间热膨胀系数不同造成的开裂。在聚酰亚胺等高分子材料表面制备晶粒分布均匀，形貌可控，附着力牢固的无机或有机/无机杂化薄膜。探索低成本、无裂纹、长寿命防护薄膜的制备新方法。通过原子氧作用和紫外辐照等空间模拟实验，揭示原子氧侵蚀与防护薄膜之间的作用机理，以及原子氧与紫外协同作用下，对薄膜产生的破坏程度和侵蚀机理。为低成本工程化原子氧防护薄膜的制备奠定理论基础。

在低地轨道（LEO）环境中，强氧化性的原子氧（AO）是导致高分子材料性能变化的主要原因。本项目系统研究了原子氧对Kapton、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等高分子材料的侵蚀效应，阐述了其作用机理。在此基础上，为有效减缓原子氧的侵蚀作用，尝试采用水热法、溶剂热法和等离子体聚合等方法分别在Kapton和PMMA等高分子材料表面制备SiOx类防护薄膜。对制备条件和防护效果进行了研究和分析。主要成果如下：.1.原子氧侵蚀效应分析：研究了原子氧辐照前后高分子材料的质量损失、表面形貌、结构及透光率的变化。结果表明：经过最大累积通量为3.3×1020atoms/cm2的原子氧环境模拟试验后，Kapton和PMMA受到严重侵蚀，质量损失较大，表面形貌发生明显变化，透光率显著下降。.2.采用水热法对高分子材料进行表面改性处理：经水热处理后的Kapton和PMMA基材表面亲水性增强，SiO2薄膜与基体的粘附力得到显著提高。无论是酸催化还是碱催化的SiO2溶胶均可在基材表面形成均匀、致密的薄膜。原子氧辐照实验表明，该薄膜具有良好的抗原子氧侵蚀能力。.3.溶剂热和sol-gel法制备SiO2薄膜：利用不同的硅烷偶联剂在溶剂热条件下改性Kapton和PMMA基材表面，用二甲氧基二甲基硅烷和四乙氧基硅烷制备无机-有机过渡层，再用sol-gel法在基材表面制备无机SiO2薄膜。结果表明：经改性处理后的基材表面亲水性明显提高，中间层的使用显著改善了无机薄膜在热循环过程中易开裂的现象。溶剂热和sol-gel法制备的薄膜具有优异的抗原子氧侵蚀能力，经原子氧辐照后的薄膜均匀致密，没有观察到明显的裂缝等缺陷。.4.等离子体聚合沉积SiOx类薄膜：采用梯度沉积方法，从聚合物沉积逐渐过渡到无机沉积，在Kapton表面制备了均匀、致密的SiOx类薄膜。该薄膜既改善了传统无机薄膜柔韧性差、易开裂等不足，又克服了单纯有机硅薄膜抗原子氧性能差的缺点。在原子氧辐照过程中，薄膜表面含有的少量有机物被进一步氧化，生成无机硅氧化物。表面无机组分的增加，降低了原子氧对Kapton基材的深度侵蚀几率，增强了Kapton抗原子氧侵蚀能力。