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《烟台大学》 2013年
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Kapton材料的原子氧侵蚀效应分析及防护涂层研究

解元元  
【摘要】:在低地球轨道(LEO)空间,航天器受到原子氧(atomic oxygen,AO)等环境因素的严峻考验。强氧化性、大通量、高能量的原子氧作用在航天器表面时,会造成Kapton材料的侵蚀和光学、电学、热学和力学等性能的下降。因此,系统分析原子氧的侵蚀效应,研究其作用机理,对Kapton材料的空间防护具有重要意义。提高Kapton材料抗原子氧侵蚀能力的最常用方法是在材料表面制备SiO_x类涂层。然而,亲水性的涂层与疏水性的Kapton基材材料间的界面效应是一个亟待解决的问题。本文从提高界面粘附性出发,综述了空间材料的原子氧防护技术。尝试采用水热法、溶剂热法和等离子体聚合等方法,在Kapton基材表面制备了不同的防护涂层,在原子氧地面模拟系统实验装置中评价了涂层的抗原子氧侵蚀性能。主要研究成果如下: (1) Kapton表面侵蚀效应分析:SEM、FTIR、UV-Vis等分析测试结果表明,具有强氧化性和高能量的原子氧攻击Kapton基材表面时,Kapton分子中的醚键和C-N键易与原子氧发生反应,造成键的断裂,引起了质量损失、表面粗糙度的增加,进而使得Kapton基材的透光率下降。 (2)采用水热法对Kapton基体进行表面改性处理:实验结果显示经水热处理后的Kapton基材表面亲水性增强,SiO_2涂层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SiO_2溶胶都可在Kapton基材表面形成均匀、致密的涂层。原子氧辐照实验表明,该涂层具有良好的抗原子氧侵蚀能力。 (3)溶剂热和sol-gel法制备SiO_2涂层:利用不同的硅烷偶联剂在溶剂热条件下改性Kapton基材表面,然后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,最后用sol-gel法在Kapton表面制备无机SiO_2涂层。实验证明,经改性处理后的Kapton表面亲水性明显提高,中间层的使用显著改善了无机涂层在热循环过程中易开裂的现象。溶剂热和sol-gel法制备的涂层具有优异的抗原子氧侵蚀能力,且原子氧暴露后的涂层更光滑,没有观察到明显的裂缝等缺陷。 (4)等离子体聚合沉积SiO_x类涂层: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SiO_x类涂层。该涂层既改善了传统无机涂层柔韧性差、易开裂等不足,又克服了单纯有机硅涂层抗原子氧性能差的弱点。在原子氧暴露过程中,涂层表面含有的有机物被进一步氧化,生成无机硅氧化物,形成了多孔网状结构,这种结构不易与原子氧发生反应,从而降低了原子氧对Kapton基材的深度侵蚀几率,大大增强了Kapton抗原子氧侵蚀性能。
【学位授予单位】:烟台大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:V261.933

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