不同BN晶型的BN/SiO2复合材料低能等离子体溅射过程微结构演化规律及损伤机制研究

As the preferred materials used for Hall thruster channel component, the low-energy plasma sputtering performance of BN ceramic is the key factor that affects the lifetime and the reliability of thruster. But at this stage, the research on the microstructures evolution during the process of BN ceramic sputtered by plasma is relatively less, and cannot essentially reveal the sputtering damage mechanisms. So it is difficult to predict the plasma resistance of BN ceramic and optimization design. Therefore, the purpose of our application is want to solve the problem through microscopic view, and study the effect of bond combining types, phase compositions and their distribution, crystal interface combination, grain size and orientation degree, plasma sputtering conditions on the sputtering damage characteristics of a variety of system BN ceramic composites. Then the interaction between materials and plasma will be discussed, and the intrinsic links of materials microstructures, plasma sputtering conditions and behavior of materials damage are to be revealed, which can provide theoretical basis and experimental guidance on preparation the BN ceramic composite materials with excellent plasma resistance performance. This study not only can enrich and improve the basic theory on the interaction between materials and plasma and the sputtering damage mechanisms of materials, but also can build a solid foundation on BN ceramic composites using in Hall thruster. Thus, it has important academic value and potential engineering application prospects.

BN陶瓷作为Hall推进器通道构件的首选材料，其抗低能等离子体溅射性能是影响推进器寿命及可靠性的重要因素。但现阶段对BN陶瓷材料受等离子体溅射过程显微结构演化规律方面的研究相对较少，无法从本质上揭示其溅射损伤机制，对预测BN陶瓷材料的抗溅射性能以及进行优化设计也是十分困难的。为此，本申请拟从微观角度入手，开展多种体系BN陶瓷复合材料的价键结合方式、物相及其分布、晶间界面结合、晶粒尺寸及取向程度、等离子体溅射条件等因素对溅射损伤特性的影响规律研究，探讨材料与等离子体间相互作用机制，揭示材料显微结构、等离子体溅射条件与材料损伤行为之间的内在联系，为制备出抗溅射性能优异的BN陶瓷复合材料提供理论依据与实验指导。本项目研究，将进一步丰富和完善陶瓷材料与低能等离子体相互作用方面的基础理论以及等离子体溅射损伤机理，为将BN陶瓷应用于Hall推进器打下坚实的基础，具有重要的学术价值和潜在的工程应用前景。

Hall推进器具有高比冲、小推力、长寿命等一系列的优点，可广泛地应用于卫星轨道调节、深空探测器变轨等领域，但现有的通道用陶瓷材料抗等离子体侵蚀性能较差，制约了其寿命的进一步提高和该系列推进器的应用。. 本项目针对BN陶瓷体系材料性能的优化及其抗等离子体侵蚀性能的测试表征与溅射损伤机制等问题，成功制备了不同晶粒尺寸的h-BN陶瓷材料, h-BN/SiO2、c-BN/SiO2、h-BN/Sialon、h-BN/MAS及织构Mullite/h-BN系列复合陶瓷材料。系统分析了BN基复合陶瓷材料成分配比、烧结工艺等参数对材料物相组成、显微组织结构、力学性能以及抗等离子体侵蚀性能的影响规律，探讨了材料显微结构、等离子体溅射条件与材料损伤行为之间的内在联系，揭示了材料与等离子体间相互作用机制，突破了氮化硼陶瓷烧结致密化、高温力学、二次电子发射与抗溅射的技术难关，得到了具有较好抗等离子体侵蚀的陶瓷复合材料。. 本项目的研究，将进一步丰富和完善陶瓷材料与低能等离子体相互作用方面的基础理论以及等离子体溅射损伤机理。通过对相关研究结果的优化，开发出具有自主知识产权的新型霍尔电推力器喷管用氮化硼基复合陶瓷材料体系，进而研制出不同型号用霍尔电推力器喷管等样件，并通过地面台架和空间在轨试验考核，具有重要的学术价值和工程应用前景。BN基复合陶瓷喷管作为主要参研部分获2016年度“中国高等学校十大科技进展”和2016年度“中国十大航天新闻”。. 本项目实施期间，在国内外学术期刊上发表论文12篇，其中SCI收录11篇；获授权发明专利4项；在国内外学术会议作口头报告7次；获黑龙江省技术发明一等奖1项。