低地球轨道环境中聚合物基体表面涂层开裂与界面剥离失效机理的研究

It is the important research area for long life spacecrafts using protective coating to resist the erosion effect on polymer materials caused by the atomic oxygen and UV irradiation in low earth orbit (LEO) environment. However cracking and invalidation of the coating has been the major difficulty and barrier for its development, and systematic basic theory study on many interface problems, especially involving polymer matrix surface coating is still not enough. Therefore based on preliminary study, in this work failure mechanism of coating cracking and interface stripping is investigated, including the determination of the region causing material failure in LEO, small differences of the materials, microstate of the surface and interface, interface reactivity, residual stress and preparation environment etc. In addition, the synergistic effect such as high vacuum, UV radiation and atomic oxygen erosion on the surface and interface of the material, as well as the synergistic effect mechanism is another research priorities of this project. Intensive study on these problems has important theoretical value for material selection, preparation of protective coating and elimination or decrease inducing factors of material failure etc. It can also provide theoretical basis and data analysis for the preparation of protective coating on the surface of polymer at low cost and through engineering approach. Thus novel and more advanced coating protection system can be explored.

利用防护涂层抵御低地球轨道（LEO）环境中原子氧、紫外辐照等对聚合物材料造成的侵蚀作用，是长寿命航天器发展的重要研究领域。但涂层开裂失效等问题成为其发展的难点和瓶颈，特别是涉及LEO环境中聚合物基体与表面涂层的很多界面问题，还缺乏系统的基础理论研究。因此，本项目在前期研究基础上，从LEO环境中诱发材料失效破坏区域的确定、材料微小差异性、表界面微观状态、界面反应性、残余应力、制备环境等方面研究涂层开裂与界面剥离失效等作用机理。此外，高真空、紫外辐照和原子氧侵蚀等多因素协同效应对材料的表面和界面产生的影响，以及协同作用机理也是本项目的研究重点。这些问题的深入研究，对指导材料的选取、改进防护涂层的制备、消除或削弱诱发材料失效因素等方面具有重要的理论价值，为低成本工程化聚合物表面防护涂层的制备提供理论依据和数据分析。在此基础上探索新的更先进的涂层防护体系。

针对聚酰亚胺（Kapton）等空间聚合物材料表面原子氧（AO）防护涂层出现开裂、剥离失效等问题，本课题开展了聚合物表面处理、涂层与基体界面结合强度、新型涂层的制备和AO侵蚀效应等方面的研究。（1）研究了Kapton等聚合物表面的处理方法。采用低浓度碱液水热与硅烷偶联剂溶剂热相结合的方法对Kapton表面进行了改性；采用H2O2对聚碳酸酯表面进行了活化，在不影响聚合物机械性能的前提下，材料表面润湿性和亲水性都得到了提高。（2）研究了系列AO防护涂层制备的新方法，分析了涂层与Kapton基体界面结合状态及抗AO侵蚀性能。采用多种有机硅化合物在改性后的Kapton表面，用溶胶-凝胶法制备了有机-无机SiOx 杂化涂层、SnO2/SiO2涂层和TiO2/SiO2涂层。AO辐照试验后，涂层表面完整，颗粒均匀分布，无裂纹和脱落，显著提高了Kapton的抗AO侵蚀能力；采用等离子体聚合法，以六甲基二硅氧烷为单体，在Kapton表面梯度沉积制备了SiOx涂层。该涂层经166小时 AO辐照后（总通量达到1.09×1022 atoms/cm2），样品仍然保持完整，AO侵蚀率仅相当于原始Kapton的6.0%。用改进的Stöber方法在聚合物表面制备了高SiO2含量涂层；用磁控溅射与化学涂覆相结合的方法，在Kapton表面制备了空心SiO2减反膜；研究了超支化SiO2悬浊液涂层提高Kapton抗原子氧侵蚀的可行性。（3）研究了储存、运输等地面环境因素对涂层与基体界面结合强度产生的影响，水汽是造成涂层附着力下降，易脱落的主要原因。（4）研究了POSS材料在Kapton表面的原位生成过程，该方法具有一定的工程应用价值。（5）研究了消除SiO2涂层内应力的制备方法和作用机理。该涂层所具有的纳米皱褶可有效缓解和释放涂层与基体间的应力。水气、温度交变和弯曲试验后，均未出现涂层开裂、脱落等问题。综上所述，本课题的研究形成了较为完善的AO环境中诱发涂层失效的理论分析，提出了一些解决途径和新的涂层制备方法，拓展了低成本工程化聚合物表面AO防护涂层的研制思路。