Kapton表面氧化鋁—氧化硅復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)及抗原子氧性能.pdf

1、聚酰亞胺薄膜（Kapton）是一種重要的空間聚合物材料，但在低地軌道空間環(huán)境中會(huì)由于原子氧侵蝕而造成質(zhì)損和各種性能的退化，因此其空間耐久性成為人們關(guān)注的問(wèn)題之一。氧化物薄膜是最常用的原子氧防護(hù)層，而薄膜韌性、致密性、厚度以及與基體的結(jié)合力是影響其抗原子氧性能的主要因素。本文采用溶膠－凝膠（Sol-Gel）法在Kapton表面制備了幾種改性氧化物薄膜，通過(guò)地面激光原子氧地面模擬裝置對(duì)其進(jìn)行暴露試驗(yàn)，然后通過(guò)掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、傅

2、立葉變換紅外光譜、X射線光電子能譜、X射線衍射等分析方法對(duì)原子氧暴露前后薄膜的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析，并探討了各種薄膜的原子氧侵蝕機(jī)理。
　　首先，以正硅酸乙酯（TEOS）和γ-（甲基丙稀酰氧）丙基三甲氧基硅烷（MEMO）為前驅(qū)體在Kapton基體上制備了有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化氧化硅薄膜。結(jié)構(gòu)分析表明，MEMO/SiO2雜化薄膜為致密的無(wú)定形非晶結(jié)構(gòu)，MEMO具有優(yōu)先沉積的特點(diǎn)，其中的有機(jī)成分增加了薄膜韌性以及與基體的結(jié)合。原子氧暴露結(jié)果表明

3、，MEMO/SiO2鍍膜Kapton的原子氧侵蝕速率較原始Kapton下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，相對(duì)而言，0.2MMEMO/SiO2薄膜的抗原子氧性能最好。經(jīng)原子氧暴露后，MEMO/SiO2雜化薄膜趨向于轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的SiO2結(jié)構(gòu)，MEMO的加入減少了脆化裂紋生成的傾向，但當(dāng)MEMO含量大于0.2M時(shí)，過(guò)量有機(jī)基團(tuán)區(qū)造成原子氧穿透性侵蝕。
　　其次，以異丙醇鋁（Al(C3H7O)3）為前驅(qū)體在Kapton基體上制備了氧化鋁薄膜，薄膜為AlO

4、OH晶體結(jié)構(gòu)。原子氧暴露結(jié)果表明，AlOOH鍍膜Kapton的原子氧侵蝕速率較原始Kapton下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，相比較來(lái)說(shuō)，厚度較小的AlOOH薄膜抗原子氧性能最好。原子氧暴露過(guò)程中，AlOOH薄膜趨向于轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的γ-Al2O3結(jié)構(gòu)。特別需要指出的是，與MEMO/SiO2雜化薄膜不同，原子氧暴露過(guò)程中AlOOH薄膜沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，但顆粒間的微孔成為原子氧侵蝕基體的途徑。
　　基于以上兩種薄膜的研究，以異丙醇鋁（Al(C3H7O)3

5、）和正硅酸乙酯（TEOS）為前驅(qū)體制備了氧化鋁－氧化硅復(fù)合膜。隨Si含量增加，復(fù)合膜的表面形貌由類似AlOOH薄膜的顆粒狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃芐iO2薄膜的平面狀。結(jié)構(gòu)分析表明，復(fù)合膜為AlOOH晶體和非晶SiO2組成的兩相結(jié)構(gòu)，兩相界面為Al-O-Si鍵結(jié)構(gòu)。原子氧暴露結(jié)果表明，當(dāng)Al/Si摩爾比為1/1和1/2時(shí)，鍍膜Kapton的原子氧侵蝕速率較原始Kapton下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。與前面的氧化硅和氧化鋁薄膜相比，復(fù)合膜的抗原子氧性能更好。

6、復(fù)合膜暴露后無(wú)裂紋形成，但含Al較多的復(fù)合膜中出現(xiàn)微孔，且存在表面脫鋁，因此造成原子氧侵蝕；隨Si含量增加，復(fù)合膜結(jié)構(gòu)致密性增加，表面脫鋁程度減弱，從而具有良好的抗原子氧性能，這歸因于非晶SiO2的封孔作用和AlOOH顆粒的增韌作用。
　　考慮到減小薄膜厚度可提高其韌性，通過(guò)表面Sol-Gel法以SiCl4為前驅(qū)體在Kapton表面沉積了不同厚度的超薄氧化硅薄膜。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氧化硅薄膜以島狀形式生長(zhǎng)，其韌性好于傳統(tǒng)Sol-Gel