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极端环境下聚合物基界面材料微观结构的构筑与研究

徐灿  
【摘要】:航天器在低地球轨道(LEO)运行将受到极端环境中高真空、电磁辐射、空间碎片撞击和原子氧(Atomic Oxygen,AO)的轰击与氧化。尤其是AO的存在,使得航天器表面聚合物材料受到严重的侵蚀,导致性能退化甚至失效。为此,本文从AO防护涂层的制备以及缓解涂层与聚合物基体界面粘附性的角度出发,采用St?ber微球与二氧化硅(SiO_2)溶胶相结合、多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)原位生长以及磁控溅射POSS过渡层等新的涂层设计理念,通过涂层结构的构筑及界面粘附机理的研究,最大程度降低诱发涂层失效的各种可能性,探索可用于工程化的聚合物表面AO防护技术。主要研究内容如下:(1)St?ber微球与sol-gel法相结合制备高含量SiO_2涂层:将St?ber法制备的SiO_2纳米微球分散在含硅溶胶体系中,分别在改性后的聚碳酸酯(PC)和聚酰亚胺(PI,Kapton)基材表面制备高SiO_2含量涂层。结果表明:经过累积通量3.09×10~(20)atoms/cm~2原子氧辐照后,含有涂层的PC样品,AO侵蚀率由3.74×10~(-24) cm~3/atom下降为0.56×10~(-24) cm~3/atom;含有涂层的Kapton样品,AO侵蚀率由3.17×10~(-24) cm~3/atom下降为0.22×10~(-24) cm~3/atom,侵蚀率只相当于原始Kapton的6.9%。该方法简单实用,高SiO_2含量的涂层有助于提高聚合物抗原子氧侵蚀能力。(2)在Kapton表面原位生长构筑SiO_2/POSS防护涂层:将改性后的Kapton基材放置于POSS起始反应液中原位生长POSS过渡层,再通过sol-gel法在POSS层上制备SiO_2涂层。经过累积通量3.30×10~(20)atom/cm~2原子氧辐照后,含有胺-POSS过渡层的Kapton样品,AO侵蚀率由3.61×10~(-24)?cm~3/atom下降为0.13×10~(-24) cm~3/atom。将POSS过渡层构筑于SiO_2涂层与Kapton基材之间,强化了涂层与基体的界面粘附性,AO辐照后涂层无开裂、脱落等现象的发生。(3)磁控溅射法在Kapton表面制备SiO_2/POSS防护涂层:为解决POSS/PI复合材料中小分子残留物质,在高真空空间环境中对航天器造成的危害,采用磁控溅射方法,自制POSS靶材在Kapton表面沉积SiO_2/POSS涂层。该复合涂层具有优异的AO防护性能,AO侵蚀率仅为原始Kapton的1.58%。此外,涂层保持了样品的光学性能不受影响,对空间热控涂层、太阳能电池阵基板等方面的应用具有一定的研究意义。


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