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Os膜传感器制作及原子氧探测的相关问题研究

李树林  
【摘要】:空间环境工程在人类探索宇宙、利用和开发太空资源的过程中起着至关重要的作用。自从第一颗人造地球卫星发射成功以来,已经有数以万计的各类航天器被送入太空,承担着宇宙观测、信息传输、气象服务等形形色色的任务,极大地促进了人类社会文明的进步。低地轨道(LEO)航天器,如通讯卫星、空间站等,主要运行于距地球表面1000 km以内的近地空间环境,是各国利用和开发空间资源的重要载体。随着我国综合国力的提升,中国空间站已经开始逐步建设,以便未来开展大规模的空间科学实验研究。在这一背景下,本课题组与北京卫星环境工程研究所可靠性与环境技术重点实验室合作,提出了开展LEO航天器的相关器件基础研究。本论文主要涉及用于LEO空间环境原子氧探测的Os膜电阻型原子氧传感器制作及应用过程中的相关问题,并探讨了本课题组发明的低频驱动的低气压管式等离子体束流在原子氧发生器、离子推进器、航天器电势主动控制器、低温氮化等方面应用的可行性,取得的主要研究结果如下:(1)金属Os膜制备及传感器制作:LEO环境中存在着高密度的原子氧,具有极强的腐蚀能力,是导致航天器材料性能退化的重要原因之一。金属Os因其独特的化学性质,被认为是制作原子氧传感器的理想材料。但是,由于金属Os的弹性模量很大,难以制备出满足传感器制作的金属Os膜。此外,用于制作原子氧传感器的金属Os膜的厚度在3 μm左右,常规的掩模光刻工艺已经难以满足传感器制作的精度和质量要求。因此,Os膜原子氧传感器制作需要解决薄膜制备和传感器加工中出现的一系列技术问题。我们研究了磁控溅射工艺对金属Os膜生长的影响。通过采用脉冲偏压和Ti过渡层技术,在石英基片上制备出厚度超过3 μm的金属Os膜,并成功解决了薄膜开裂、脱落等相关问题。在此基础上,通过激光精密加工技术,批量制作了具有实用价值的Os膜电阻型原子氧传感器用于空间环境原子氧检测相关基础研究。(2)金属Os膜的物理性能研究:金属Os膜的力学性能和电阻率对原子氧传感器的应用至关重要。为此,我们开展了相关基础和应用基础研究。力学性能测量显示,Os膜硬度比块体材料高~40%,与薄膜内部存在较大的热应力和薄膜晶粒细化有关,其中13%来自热应力导致的弹性模量增加,~24%来自晶粒细化的贡献。Os膜室温电阻率(ρ)与薄膜厚度(h,单位μm)之间满足ρ=13.2+1.65/h(μΩcm),说明具有明显的电阻率尺寸效应。研究发现,Os膜电阻率随温度的变化不完全满足Mayadas和Shatzkes提出的晶界散射模型。因此,通过第一性原理计算分析了金属Os的电子结构和Fermi面,提出了晶界散射模型的修正公式,并成功应用于Os膜电阻率的尺寸效应分析。在此工作的基础上,提出了 Os膜电阻型原子氧传感器在探测空间环境原子氧密度时的恒温工作模式和变温工作模式,并建立了相关的数学模型。(3)低气压管式放电等离子体研究:高密度等离子体束流在空间环境工程领域有着广泛的应用,如原子氧发生器、航天器表面电势的主动控制和在轨调姿等。利用本课题组发明的低频驱动的低气压管式放电装置和等离子体诊断平台,开展了放电等离子体的物理特性研究,探讨了所产生的高密度等离子体束流在空间环境工程领域应用的可行性。研究结果表明,氢气掺入可提高管式放电等离子体的电离率,使得等离子体束流中的离子密度显著提高,有可能发展成为一种新型的航天器表面电势主动控制技术;纯氧气放电可以产生具有高密度原子氧的O等离子体束流,具有极强的反应刻蚀能力,可以发展成为一种新的原子氧束流产生技术用于Os膜原子氧传感器的地面测试和其它抗原子氧氧化实验;相比于含氮气的等离子体放电,Ar等离子体放电具有可以在较低的放电功率下获得较大的放电电流;可用于制造新型电推进器为航天器在轨调姿提供动力,或应用于航天器表面电势主动控制。(4)高密度等离子体束流对纯铁的低温氮化研究:离子渗氮是重要的材料表面改性技术之一,被广泛应用于工业生产、国防军工和空间环境工程等各个领域。低温渗氮不仅可以节约能源、降低加工成本,更主要的是为保证工件的精度和材料的其它性能不发生改变。因此,低温离子渗氮不但是该研究领域研究一直追求的主要目标之一,而且也是空间环境工程领域亟需的关键材料改性技术。我们以N2+H2混合气为工作气体,研究了低气压管式放电产生的高密度等离子体束流对纯铁的离子氮化。研究结果表明,这种高密度等离子体束流具有氮化效率高、渗氮温度低等特点,最低渗氮温度可低至250℃。此外,这种管式等离子体源可以使用低氢含量的N2+H2混合气体实现高效率的离子渗氮。根据脉冲偏压对渗氮效果的影响,进一步确认了等离子体中决定能否实现氮化的关键粒子是N2+和N+。通过等离子体发射光谱分析发现,当气流中氮气含量在92.5%至32.5%的范围内变化时,等离子体羽辉中N2+的密度可达7.2±0.6×1011cm-3,从而使纯铁样品在450℃下氮化120 min后形成了约5μm厚的氮化物层。在330~370℃下,利用这种高密度等离子体束流氮化120 min后,纯铁样品表面生成了 4 μm以上的氮化物层和毫米级的扩散区。利用等离子体发射光谱拟合确定的等离子体羽辉中中性气体温度约为300℃,完全满足低温渗氮的要求。


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