【摘要】：在低地球軌道(LEO)環(huán)境中,航天器的運(yùn)行要經(jīng)歷復(fù)雜多變的空間環(huán)境考驗(yàn),其材料要經(jīng)受空間原子氧(AO)、紫外輻射等多方面因素的破壞作用,尤其是具有強(qiáng)氧化性、高通量等特性的原子氧作用于航天器表面時(shí),會(huì)導(dǎo)致航天器材料發(fā)生光學(xué)、化學(xué)和機(jī)械性能上的退化,從而影響航天器的正常運(yùn)行。此外,航天器所經(jīng)歷的環(huán)境不僅包括在軌運(yùn)行、發(fā)射返回過程中所經(jīng)歷的空間環(huán)境,還包括航天器在儲(chǔ)運(yùn)過程中的陽(yáng)光輻照、溫度及濕度變化等地面環(huán)境因素。針對(duì)上述問題,本文重點(diǎn)開展原子氧防護(hù)涂層以及涂層與基體界面效應(yīng)的研究。采用堿液水熱處理與硅烷偶聯(lián)劑溶劑熱處理的方式對(duì)聚酰亞胺進(jìn)行表面處理,利用環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)SiO_2涂層與聚酰亞胺基體的界面結(jié)合狀況,探究涂層失效原因并改進(jìn)制備方法,采用化學(xué)鍵合的方法成功在聚酰亞胺表面制備出SiO_2原子氧防護(hù)涂層。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)聚酰亞胺(PI)表面堿處理方法研究:采用NaOH溶液,在一定溫度下對(duì)PI基材進(jìn)行水熱處理,研究了不同濃度的NaOH溶液、不同溫度以及不同水熱時(shí)間對(duì)PI基材的改性效果的影響。結(jié)果表明:最佳堿液水熱處理?xiàng)l件為0.1mol/L NaOH溶液在120℃下處理1h。(2)聚酰亞胺及其涂層環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià):采用不同表面改性方法對(duì)PI進(jìn)行處理后,用溶膠凝膠法鍍膜。研究溫度、濕度、紫外輻照和原子氧等環(huán)境因素對(duì)聚酰亞胺基體及涂層的侵蝕效應(yīng)。結(jié)果表明:采用堿液水熱和硅烷偶聯(lián)劑溶劑熱綜合處理的表面改性方法,能在一定程度上提高涂層耐環(huán)境因素影響的能力。在PI上涂覆SiO_2涂層能很好的防護(hù)原子氧侵蝕、紫外線輻照,且涂層可耐溫度變化,但環(huán)境濕度對(duì)基體及SiO_2涂層粘附力的影響不容忽視。(3)涂層失效原因探究:在堿處理的基礎(chǔ)上,采用三種硅烷偶聯(lián)劑分別對(duì)PI進(jìn)行溶劑熱處理,通過漂洗、環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)對(duì)比不同硅烷偶聯(lián)劑改性效果,探究涂層失效原因。結(jié)果表明采用硅烷偶聯(lián)劑處理后,PI表面會(huì)生成偶聯(lián)劑改性層,而該改性層經(jīng)環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)后產(chǎn)生開裂、脫落等現(xiàn)象;硅烷偶聯(lián)劑改性層與基體的結(jié)合情況直接影響后續(xù)涂層的防護(hù)效果,是造成下一步涂層脫落的主要原因。(4)化學(xué)鍵合制備涂層方法研究:通過對(duì)硅烷偶聯(lián)劑改性PI的溶劑選取、制備條件改進(jìn)等方法,強(qiáng)化SiO_2溶膠與改性后PI表面的結(jié)合強(qiáng)度,產(chǎn)生化學(xué)鍵合。結(jié)果表明:采用化學(xué)鍵合法成功在PI表面制備Si O_2涂層,酸催化溶膠制備的涂層具有褶皺形貌;酸、堿催化溶膠制備出的涂層整體外觀較為平整,涂層表面沒有明顯的褶皺或者顆粒堆積形貌,涂層分布均勻。(5)化學(xué)鍵合法在抗環(huán)境效應(yīng)及原子氧侵蝕中的應(yīng)用:利用化學(xué)鍵合法在PI表面制備出一類特殊的褶皺結(jié)構(gòu)涂層。通過水汽試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、溫度交變?cè)囼?yàn)、原子氧輻照試驗(yàn)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,化學(xué)鍵合法制備的褶皺涂層樣品在經(jīng)過上千次彎曲試驗(yàn)甚至折疊試驗(yàn)之后,涂層沒有發(fā)生開裂情況;溫度交變?cè)囼?yàn)中涂層經(jīng)歷數(shù)次熱脹冷縮也沒有產(chǎn)生開裂情況;制備出的涂層在原子氧輻照試驗(yàn)中也表現(xiàn)出了良好的抗原子氧侵蝕的能力。
【圖文】：

圖 1-1 原子氧對(duì)材料的侵蝕機(jī)理Fig.1-1 Corrosion mechanism of atomic oxygen on materials原子氧對(duì)于航天材料的破壞作用不容忽視，各國(guó)研究學(xué)者對(duì)原子氧侵蝕作用機(jī)理進(jìn)行了深入研究[33-38]。如圖 1-1 所示，氧分子在一定波長(zhǎng)的太陽(yáng)紫外線照射下，，分解成原子氧。原子氧與聚合物材料表面高速碰撞、氧化使材料表面被侵蝕，釋放出 CO 等小分子氣體，與金屬會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)會(huì)形成氧化層，其中銀等金屬形成的氧化層疏松易脫落，但是鋁、硅等形成的無機(jī)氧化層厚且致密，致密氧化層包覆在材料表面能夠阻擋原子氧進(jìn)一步侵蝕，這也為后來發(fā)展原子氧“自修復(fù)”防護(hù)技術(shù)提供了思路。1.2 抗原子氧聚酰亞胺研究進(jìn)展聚酰亞胺（Polyimide, PI）是一類具有酰亞胺芳雜環(huán)的聚合物，其結(jié)構(gòu)式如圖 1-1

OO圖 1-2 PI 的結(jié)構(gòu)式Fig.1-2 Structure of PI由于 PI 薄膜具有耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、力學(xué)性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好電常數(shù)低、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異性能[39-44]，被廣泛用作航天器中熱防護(hù)材料、能電池以及太陽(yáng)帆等展開結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)薄膜[45-48]。PI 材料本身具備一定耐原子氧的能力，但是隨著長(zhǎng)壽命航天器的發(fā)展，對(duì) PI 性能要求越來越高。PI 薄膜表面光滑，呈半透明淺棕色。長(zhǎng)時(shí)間暴露在 AO 環(huán)境中，受 AO 侵蝕后，PI 表面變糙，透明度降低，掃描電子顯微鏡下觀察 PI 表面形貌呈“地毯狀”，如圖 1-3（受 AO 侵蝕后的 PI 不僅表面變粗糙，還會(huì)產(chǎn)生光學(xué)性能下降，質(zhì)量、厚度損失學(xué)及熱學(xué)性能明顯退化等問題。多年來，各國(guó)科研工作者通過對(duì) PI 進(jìn)行多次在驗(yàn)及大量地面原子氧模擬試驗(yàn)，提供了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：煙臺(tái)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V255

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