● 摘要
原子氧(Atomic Oxygen，AO)是低地球空间轨道（Low Earth Orbit，LEO）环境大气的主要组分，也是低地球轨道环境中对航天器影响最为严重的环境因素之一。它与航天器的作用，会造成聚合物、复合材料、和部分金属的剥蚀，并导致材料的机械性能、热光学性能、电性能等性能的退化；另外，原子氧的剥蚀产物还会给航天器表面、光学组件、热控涂层和太阳电池板带来污染，这些都会影响到航天器的正常使用。因此，原子氧效应是低地球轨道环境效应研究的一个重要内容，也是目前低轨航天器在设计时必须考虑的空间环境因素之一。本文选用航天器（航天器的结构、热控和绝缘部件，如天线系统的结构件、第二表面反射镜和聚合物表面、太阳电池的固定基座等）常用的材料聚酰亚胺作为基材，在其表面制备不同的有机硅涂层并进行改性。通过对改性膜层的制备过程，厚度、结合力、微观形貌及原子氧暴露试验等的分析，优选出甲基苯基有机硅树脂（1053）和环氧有机硅（W304）两种有机硅树脂。并且分别采用纳米粒子、微胶囊、多面齐聚倍半硅氧烷（POSS）对有机硅树脂进行改性并制备涂层，并研究了涂层的主要性能，使之满足空间环境使用要求。采用灯丝放电磁场约束型原子氧效应地面模拟设备来考察涂层的耐原子氧剥蚀性能，实验中通过对比原子氧暴露试验前后试样的质量变化、表面形貌变化来分析聚酰亚胺薄膜及涂有各种保护涂层的试样耐原子氧剥蚀性能。研究发现，纳米粒子、POSS的加入，可以使涂层的厚度增大，同时提高涂层的耐热性，不影响涂层的热震性能及耐湿热环境能力。微胶囊的加入，使涂层的结合力下降，当微胶囊与有机硅树脂的质量比大于1:5时，会对涂层的热震性能、耐热性产生不利影响，同时微胶囊的加入能够提高涂层的修复能力。聚酰亚胺及涂有不同保护涂层的试样原子氧暴露试验结果表明，各种改性涂层均具有良好的耐原子氧剥蚀性能，能够起到明显的保护作用。在经过25h的原子氧暴露试验后，聚酰亚胺薄膜单位面积的质量损失达到3.05×10-3g•cm-2，由原来光滑平整的表面变为凹凸不平的“地毯状”形貌，表面成分发生了明显的变化，太阳光吸收比变化较大，α=0.272。在相同的原子氧暴露时间内，各种涂层的单位面积的质量损失比聚酰亚胺的试样质量损失下降一个数量级。太阳光吸收比α的变化仅为0.071。