● 摘要
原子氧是低地球轨道中对航天器影响最为严重的环境因素之一。为了保证航天器的安全运行，必须采取相应的措施来提高航天器材料的抗原子氧剥蚀性能。本文提出了一种抗原子氧剥蚀的新方法，通过在聚合物中添加无机纳米颗粒，制备出了具有优异抗原子氧剥蚀性能的纳米复合材料。同时，本文还将有机硅添加到聚合物中，以提高材料的抗原子氧剥蚀性能。通过地面模拟试验，评价了纳米复合材料和添加有机硅聚合物的抗原子氧剥蚀性能，并开展了相应的测试分析工作，对材料的抗原子氧剥蚀机理进行了深入的研究。主要研究工作包括如下五个方面： （1）将无机纳米SiO2颗粒和纳米Al2O3颗粒分别添加到环氧树脂中，制备出抗原子氧剥蚀的纳米复合材料。对复合材料进行了抗原子氧剥蚀的地面模拟试验，并对试验前后材料的质量、外观、表面形貌的变化进行了分析。试验结果表明，纳米复合材料的抗原子氧剥蚀性能比纯树脂均有较大的提高，其中添加15份纳米SiO2颗粒的纳米复合材料的抗原子氧剥蚀性能最好，其剥蚀率下降到纯树脂的1/10。 （2）用XPS、FTIR和AFM，对试验前后的纳米复合材料的表面形貌、表面成分和表面结构进行了分析，分析表明，材料表面在试验后仍然有有机物存在，这些有机物不与原子氧反应，我们认为这些有机物是与纳米颗粒相连的有机结构，这些有机结构与纳米颗粒在试样表面形成了致密的网状结构，能够很好的抗原子氧剥蚀。 （3）将具有活性基团的有机硅KH560和KH550添加到环氧树脂中，制备出抗原子氧剥蚀的材料。对材料的抗原子氧剥蚀性能进行了的地面模拟试验，试验结果表明，聚合物材料的抗原子氧剥蚀性能都得到了提高。但是，添加有机硅的聚合物材料抗原子氧剥蚀性能不如添加无机纳米颗粒的。 （4）用SEM、XPS、FTIR，对添加有机硅的聚合物材料试验前后试样的表面形貌、表面成分和结构的变化进行了对比和分析。结果表明，试样表面在原子氧的作用下生成了一种立体的网状结构，这种结构主要是含硅的有机结构，该结构能够有效地抗原子氧剥蚀，使试样的质量损失和剥蚀率明显下降。 （5）对添加纳米SiO2颗粒的玻璃纤维/环氧树脂的力学性能进行了试验研究。研究结果表明，复合材料的力学性能（如冲击性能和弯曲性能）得到了提高，而拉伸性能稍有下降。这说明，在航天器聚合物中添加无机纳米颗粒，不但具有优异的抗原子氧剥蚀性能，而且还具有很好的工程应用性。