低地球轨道(LEO)环境中原子氧与紫外辐射对航天器表面材料协同效应的研究

以申请者只考虑原子氧效应建立的经典散射模型和反应-扩散方程为起点，开展原子氧与紫外线对材料的协同效应研究，分析材料的光氧化反应，构造协同效应的剥蚀率模型及反应-扩散方程。内容含：1）研究辐射致材料性能退化与波长、量子产率、能量传递、材料结构及辐射剂量的关系，构造材料的太阳透射率模型；2）分析辐射对入射粒子与表面间及表面粒子间作用势的影响，给出相应的势模型；3）探究辐射对原子氧在表面上散射、吸附、扩散及反应的作用，确定反应图式，建立剥蚀率模型及反应-扩散框架；4）开展数值模拟与具验证性互补性的地面模拟实验，评估材料抗氧化耐辐射性能。.协同效应机制因高度复杂而尚未充分掌握，既是研制航天器表面材料关键技术的最薄弱环节之一，也是亟待解决的学术难题。开展本项研究，既拓展原框架的适用范围，亦利于规范航天器表面材料设计；在评估航天器污染及研制抗氧化耐辐射超轻薄材料上应用广泛，对表面科学有重要的学术价值。

本报告由两部分组成：（1）建立原子氧效应及协同效应中航天器表面含氢聚合物材料的质量演化模型; （2）构造预估航天器表面抗协同效应的防护材料厚度模型. .第一部分以低地球轨道环境中航天器表面含氢聚合物材料为研究对象，旨在构造同时适用于上述两种效应的材料质量演化的统一模型。为此，鉴于原子氧、紫外辐射与聚合物间相互作用产生的自由基在质量变化中起主导作用，依据链式反应理论，试探分别建立了这两种效应的链式非支化反应模型，由此构造统一的链式非支化反应模型；继而利用J. Verdu 课题组构架的含7个待定因子的聚合物热氧化模型，确定与统一链式非支化反应模型相应的质量变化率方程；接着，为了改进聚合物热氧化模型的实用性，尝试由分型反应动力学给出质量变化率方程的总反应率，获得含氢聚合物质量变化的解析解，即时间幂次函数。.以四种不同结构的聚乙烯和Kapton为算例，将解析解变换为含2个待定因子的时间幂次函数，据此，开展了质量演化的数据拟合，结果显示理论曲线与实验数据相吻合；浅析了聚乙烯的结晶度和剥蚀表面分维数、环境因素与材料质量损失间的关系。.模拟结果表明，初步证实了建立的理论模型可靠性与实用性，可为模拟材料的非线性质量损失提供技术途径，亦可给出预估含氢聚合物的质量损失的参考数据。 .第二部分基于对原子氧、分子氧或臭氧和紫外辐射或X-射线对Si表面协同作用的分析，确定了光助硅氧化的主要氧化剂为阴性氧原子，相应的主要氧化机制为阴性氧原子在硅表面上的扩散-反应过程；据此，将现有的过热原子氧在Si表面上扩散-反应模型拓展为光助硅氧化模型。.与紫外辐射或X-射线助硅氧化实验数据的拟合结果显示，理论曲线与实验数据吻合；确定了反应率常数k0、扩散系数D0、调节参数以及特征衰减长度L0，并定性地浅析了温度、剂量、波长、温度和波长等对k0和D0的影响。.模拟结果初步表明，本项工作构架的光助硅氧化模型合理，相应的计算程序可靠。根据过热原子氧和紫外辐射对Si表面协同作用的主要机制为阴性氧原子在Si表面上扩散-反应过程的推断，该模型可作为LEO环境中预估航天器表面抗原子氧与紫外辐射的防护膜厚度的理论框架。