CN108254304A - 一种临近空间臭氧环境地面模拟方法 - Google Patents

一种临近空间臭氧环境地面模拟方法 Download PDF

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张婷婷
杨桂民
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Abstract

本发明公开了一种临近空间臭氧环境地面模拟方法，所述方法包括将样品放入实验容器中并将实验容器抽真空，然后通入臭氧并维持实验容器内部臭氧浓度，最后调节所述样品的转速的步骤。与现有技术相比，本发明的臭氧环境地面模拟方法对设备要求低，且操作过程简单、方便易行，是一种经济可靠的临近空间臭氧环境地面模拟方法；本发明的臭氧环境地面模拟方法考虑了临近空间的气体流场，提高了临近空间臭氧模拟环境的真实性与可靠性。

Description

一种临近空间臭氧环境地面模拟方法
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，特别涉及一种模拟方法，尤其涉及一种临近空间臭氧环境地面模拟方法。
背景技术
临近空间是位于通常的“天空”(20km以下)和“太空”(200km以上)之间，大致包括平流层、中间层和部分电离层区域，是从天空到太空的过渡区域，作为空天一体化重要环节；对于临近空间的研究已成为世界大国关注的焦点。临近空间中空气密度、风场、臭氧、紫外辐射等环境因素十分独特，对临近空间飞行器的研制和应用具有重要影响。因此，为适应临近空间飞行器技术的发展，开展临近空间环境效应及环境试验方法研究具有重要意义。
太阳紫外光解离大气氧分子产生氧原子，氧原子与氧分子进一步反应生成臭氧。临近空间由于无云层遮挡，臭氧浓度高，紫外线辐射强。臭氧具有很强的氧化能力，对暴露在临近空间的材料的腐蚀作用很强；紫外线的辐射会使材料变脆断裂。随着高度上升大气密度下降，相同体积下大气所能产的浮力也急剧下降。临近空间飞行器为保证足够升力，则需要巨大的体积或高速飞行。同时，临近空间中存在0～200m/s左右的风场，高速飞行会进一步引起很大的气动加热和流体冲刷等问题。目前已有文献报道了部分材料在臭氧、紫外辐射作用下的腐蚀老化效应，然而对于臭氧腐蚀老化和气动流体场共同综合作用下材料性能退化规律的研究还很少。
发明内容
本发明的目的是提供一种临近空间臭氧环境地面模拟方法，实现臭氧腐蚀老化和气动流体环境综合模拟，提高临近空间臭氧暴露试验的真实可靠性。
为此，本发明技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种临近空间臭氧环境地面模拟方法，所述方法包括将样品放入实验容器中并将实验容器抽真空，然后通入臭氧并维持实验容器内部臭氧浓度，最后调节所述样品的转速的步骤。
优选地，所述方法包括以下步骤：
(1)将样品固定在实验容器内部的碟盘状样品支架上，然后将实验容器抽真空(更优选的方式是采用机械泵和分子泵两级抽真空系统)；
(2)通过臭氧发生器向已抽真空的实验容器内通入臭氧，并维持臭氧浓度；
(3)通过调节实验容器底部的马达转速实现调节所述碟盘状样品支架上样品的转速，使所述样品的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，从而实现对临近空间臭氧环境地面的模拟。
优选地，通过调节样品所在的碟盘状样品支架的转速和/或调节样品的转动半径，使所述样品的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，模拟气动流体场的冲刷效应，实现对临近空间臭氧环境地面的模拟。例如，可以调节实验容器底部的马达转速实现调节样品所在的碟盘状样品支架的转速，或者调节样品的转动半径，或者同时调节样品所在的碟盘状样品支架的转速和调节样品的转动半径，使所述样品的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，具体方式的选择由于篇幅的限制不再一一列举，可根据实际情况进行任意组合。
优选地，所述实验容器内部的真空度至少为6×10-2Pa，以保证容器内样品与臭氧的腐蚀作用不受其他环境因素的干扰。如果真空度不足，残留氮气分子等会对实验效果产生较大影响。真空度例如可以是5×10-2Pa、1×10-3Pa、5×10-3Pa、1×10-4Pa、5×10-5Pa或1×10-6Pa，由于篇幅的限制，在此不再一一列举。
优选地，所述实验容器内部的臭氧浓度为10-80mg/L，临近空间中臭氧浓度会随季节和纬度发生变化，但其浓度范围主要在10-80mg/L之间，为保证模拟环境的可靠性，臭氧浓度可以是10mg/L、15mg/L、20mg/L、25mg/L、30mg/L、35mg/L、40mg/L、45mg/L、50mg/L、55mg/L、60mg/L、65mg/L、70mg/L、75mg/L或80mg/L，由于篇幅的限制，在此不再一一列举。
优选地，所述样品的表面相对于实验容器内部的臭氧分子的相对运动线速度为0-250m/s，临近空间中存在0-200m/s左右的风场，为保证模拟环境中气动流体场的真实作用，样品的表面相对于臭氧分子的相对运动线速度可以是10m/s、20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、100m/s、150m/s、200m/s或250m/s，由于篇幅的限制，在此不再一一列举。
优选地，所述样品的处理包括以下步骤：
将所述样品切割成厚度为10-50μm的小片(例如可以是15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm)，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗5-20min(例如可以是5min、7.5min、10min、12.5min、15min、17.5min或20min)，在空气中自然干燥。
作为优选技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)将样品切割成厚度为10-50μm的小片，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗5-20min，在空气中自然干燥；
(2)将清洁干燥的样品固定在实验容器内部的碟盘状样品支架上，然后将实验容器采用机械泵和/或分子泵抽真空，所述实验容器的真空度至少为6×10-2Pa，以机械泵维持所述真空度；
(3)以高纯氧气为气源，通过臭氧发生器向已抽真空的实验容器内通入臭氧，并用片状臭氧发生器和/或氘灯紫外光源维持臭氧浓度，所述实验容器内部的臭氧浓度为10-80mg/L；
(4)通过调节样品所在的碟盘状样品支架的转速和/或调节样品的转动半径，使所述样品的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，模拟气动流体场的冲刷效应，实现对临近空间臭氧环境地面的模拟；所述相对运动线速度为0-250m/s。
图1为本发明提供的临近空间臭氧暴露模拟方法的装置示意图，其中各部件作用如下：
(1)实验容器：抽真空并通入臭氧，形成密封的臭氧环境；其中观察窗用以观测试样的腐蚀情况；光学窗口用以引入紫外光源；
(2)片状臭氧发生器：维持容器内臭氧浓度；
(3)臭氧检测装置：测定容器内臭氧浓度；
(4)高速马达：带动样品支架旋转，以实现样品表面对臭氧分子的相对运动线速度；
(5)样品支架：固定样品，并带动样品转动；
(6)防护罩：保护高速马达不被臭氧分子腐蚀。
第二方面，本发明提供如第一方面所述的临近空间臭氧环境地面模拟方法在航空航天研究领域的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明的臭氧环境地面模拟方法对设备要求低，且操作过程简单、方便易行，是一种经济可靠的临近空间臭氧环境地面模拟方法；
(2)本发明的臭氧环境地面模拟方法考虑了临近空间的气动流体场，提高了临近空间臭氧模拟环境的真实性与可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的临近空间臭氧暴露模拟方法的装置示意图；
图2a为实施例1中空白试样的扫描电镜图(×5000)；
图2b为实施例1中臭氧暴露后Kapton薄膜表面的扫描电镜图(×5000)；
图3a为实施例1中空白试样的原子力显微形貌图；
图3b为实施例1中臭氧暴露后Kapton薄膜表面的原子力显微形貌图；
图4a为实施例1中臭氧暴露前Kapton薄膜表面的XPS能谱图；
图4b为实施例1中臭氧暴露后Kapton薄膜表面的XPS能谱图；
图5a为实施例1中臭氧暴露前Kapton薄膜表面C1s的高分辨率XPS能谱图；
图5b为实施例1中臭氧暴露后Kapton薄膜表面C1s的高分辨率XPS能谱图；
图6为实施例1中臭氧暴露前后对Kapton薄膜表面分子结构的红外光谱。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
实施例1
(1)将Kapton薄膜切割成厚度为25μm，尺寸为15mm×20mm的小片，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗10min，在空气中自然干燥；
(2)将清洁干燥的Kapton薄膜固定在实验容器内部的碟盘状Kapton薄膜支架上，然后将实验容器采用机械泵和分子泵抽真空，所述实验容器的真空度为6×10-2Pa，以机械泵维持所述真空度(具体为采用机械泵和分子泵两级真空系统，将实验容器抽真空至6×10-4Pa后，以机械泵维持真空度在6×10-2Pa)；
(3)以高纯氧气为气源，通过臭氧发生器向已抽真空的实验容器内通入臭氧，并用片状臭氧发生器和氘灯紫外光源维持臭氧浓度，所述实验容器内部的臭氧浓度为80mg/L；
(4)通过调节Kapton薄膜所在的碟盘状Kapton薄膜支架的转速、调节Kapton薄膜的转动半径，使所述Kapton薄膜的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，模拟气动流体场的冲刷效应，实现对临近空间臭氧环境地面的模拟；所述相对运动线速度为200m/s。
实施例2
(1)将Kapton薄膜切割成厚度为10μm，尺寸为15mm×20mm的小片，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗20min，在空气中自然干燥；
(2)将清洁干燥的Kapton薄膜固定在实验容器内部的碟盘状Kapton薄膜支架上，然后将实验容器采用机械泵和分子泵抽真空，所述实验容器的真空度为5×10-2Pa，以机械泵维持所述真空度(具体为采用机械泵和分子泵两级真空系统，将实验容器抽真空至5×10-4Pa后，以机械泵维持真空度在5×10-2Pa)；
(3)以高纯氧气为气源，通过臭氧发生器向已抽真空的实验容器内通入臭氧，并用片状臭氧发生器和/或氘灯紫外光源维持臭氧浓度，所述实验容器内部的臭氧浓度为10mg/L；
(4)通过调节Kapton薄膜所在的碟盘状Kapton薄膜支架的转速或调节Kapton薄膜的转动半径中的任意一种或两种方式，使所述Kapton薄膜的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，模拟气动流体场的冲刷效应，实现对临近空间臭氧环境地面的模拟；所述相对运动线速度为250m/s。
实施例3
(1)将Kapton薄膜切割成厚度为50μm，尺寸为15mm×20mm的小片，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗5min，在空气中自然干燥；
(2)将清洁干燥的Kapton薄膜固定在实验容器内部的碟盘状Kapton薄膜支架上，然后将实验容器采用机械泵抽真空，所述实验容器的真空度为4×10-2Pa，以机械泵维持所述真空度(具体为采用机械泵将实验容器抽真空至4×10-4Pa后，以机械泵维持真空度在4×10-2Pa)；
(3)以高纯氧气为气源，通过臭氧发生器向已抽真空的实验容器内通入臭氧，并用片状臭氧发生器和/或氘灯紫外光源维持臭氧浓度，所述实验容器内部的臭氧浓度为50mg/L；
(4)通过调节Kapton薄膜所在的碟盘状Kapton薄膜支架的转速或调节Kapton薄膜的转动半径中的任意一种或两种方式，使所述Kapton薄膜的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，模拟气动流体场的冲刷效应，实现对临近空间臭氧环境地面的模拟；所述相对运动线速度为120m/s。
实施例4
(1)将Kapton薄膜切割成厚度为30μm，尺寸为15mm×20mm的小片，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗14min，在空气中自然干燥；
(2)将清洁干燥的Kapton薄膜固定在实验容器内部的碟盘状Kapton薄膜支架上，然后将实验容器采用机械泵和分子泵抽真空，所述实验容器的真空度为3×10-2Pa，以机械泵维持所述真空度(具体为采用机械泵和分子泵两级真空系统，将实验容器抽真空至3×10-4Pa后，以机械泵维持真空度在3×10-2Pa)；
(3)以高纯氧气为气源，通过臭氧发生器向已抽真空的实验容器内通入臭氧，并用片状臭氧发生器和/或氘灯紫外光源维持臭氧浓度，所述实验容器内部的臭氧浓度为40mg/L；
(4)通过调节Kapton薄膜所在的碟盘状Kapton薄膜支架的转速或调节Kapton薄膜的转动半径中的任意一种或两种方式，使所述Kapton薄膜的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，模拟气动流体场的冲刷效应，实现对临近空间臭氧环境地面的模拟；所述相对运动线速度为130m/s。
实施例5
(1)将Kapton薄膜切割成厚度为30μm，尺寸为15mm×20mm的小片，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗10min，在空气中自然干燥；
(2)将清洁干燥的Kapton薄膜固定在实验容器内部的碟盘状Kapton薄膜支架上，然后将实验容器采用机械泵和分子泵抽真空，所述实验容器的真空度为2×10-2Pa，以机械泵维持所述真空度(具体为采用机械泵和分子泵两级真空系统，将实验容器抽真空至2×10-4Pa后，以机械泵维持真空度在2×10-2Pa)；
(3)以高纯氧气为气源，通过臭氧发生器向已抽真空的实验容器内通入臭氧，并用片状臭氧发生器和/或氘灯紫外光源维持臭氧浓度，所述实验容器内部的臭氧浓度为20mg/L；
(4)通过调节Kapton薄膜所在的碟盘状Kapton薄膜支架的转速或调节Kapton薄膜的转动半径中的任意一种或至少两种方式，使所述Kapton薄膜的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，模拟气动流体场的冲刷效应，实现对临近空间臭氧环境地面的模拟；所述相对运动线速度为100m/s。
实施例6性能测试
图2(a)和(b)分别是Kapton薄膜表面经臭氧暴露前和暴露后的扫面电镜图。由扫描电镜结果可以看出，暴露前的空白试样表面平整，几乎没有缺陷存在。臭氧暴露后，Kapton薄膜表面出现颗粒状突起，整个表面呈现凹凸不平的“地毯状”形貌，这表明Kapton薄膜在临近空间地面模拟臭氧环境中发生了腐蚀和剥落。
图3(a)和(b)分别显示了Kapton薄膜表面经臭氧暴露前和暴露后的原子力显微形貌图。由图中可以看出，臭氧暴露后，Kapton薄膜表面粗糙度增加。这说明臭氧腐蚀作用的同时，引入高速气动流体场，臭氧分子将在材料表面产生高速冲刷和溅射作用，导致Kapton表面遭受至化学腐蚀与物理溅射效应共同作用，表现为严重的冲刷侵蚀。
图4(a)和(b)分别显示了Kapton薄膜表面经臭氧暴露前和暴露后的XPS能谱图。由图中可以看出，臭氧暴露后试样表面氧和氮元素的相对含量增加，而碳的相对含量减少。
图5(a)和(b)分别显示了Kapton薄膜表面经臭氧暴露前和暴露后的C1s的高分辨率XPS能谱图。从图中可以看出，在C1s谱中存在着四种不同状态的碳原子，Kapton薄膜经臭氧暴露后，在较低结合能284.3eV处的峰相对面积减少，而较高能合能288.3eV处峰所对应的C＝O键(或C-N键)，相对面积增加。这表明臭氧参与作用，对Kapton分子链稳定性产生了影响。
图6显示了臭氧暴露前后Kapton薄膜表面分子结构的红外光谱。从图中可以看出，臭氧暴露前后试样红外吸收峰位置和峰型都没有发生明显变化，只是各个吸收峰强度均有所降低。这表明臭氧暴露环境中，各特征键数量减少。
实施例2-5的性能测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。
综上所述，本发明的臭氧环境地面模拟方法对设备要求低，且操作过程简单、方便易行，是一种经济可靠的临近空间臭氧环境地面模拟方法；本发明的臭氧环境地面模拟方法考虑了临近空间的气动流体场，与现有技术中只考虑臭氧和/或紫外光源的模拟方法相比，提高了临近空间臭氧模拟环境的真实性与可靠性。
应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
申请人声明，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种临近空间臭氧环境地面模拟方法，其特征在于，所述方法包括将样品放入实验容器中并将实验容器抽真空，然后通入臭氧并维持实验容器内部臭氧浓度，最后调节所述样品的转速。
2.根据权利要求1所述的临近空间臭氧环境地面模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将样品固定在实验容器内部的碟盘状样品支架上，然后将实验容器抽真空；
(2)通过臭氧发生器向已抽真空的实验容器内通入臭氧，并维持臭氧浓度；
(3)通过调节实验容器底部的马达转速实现调节所述碟盘状样品支架上样品的转速，使所述样品的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，从而实现对临近空间臭氧环境地面的模拟。
3.根据权利要求1或2所述的临近空间臭氧环境地面模拟方法，其特征在于，通过调节样品所在的碟盘状样品支架的转速和/或调节样品的转动半径，使所述样品的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，模拟气动流体场的冲刷效应，实现对临近空间臭氧环境地面的模拟。
4.根据权利要求2或3所述的临近空间臭氧环境地面模拟方法，其特征在于，利用旋转电机和/或气动轴承带动样品所在的碟盘状样品支架转动。
5.根据权利要求2或3所述的临近空间臭氧环境地面模拟方法，其特征在于，所述实验容器内部的真空度至少为6×10-2Pa。
6.根据权利要求2或3所述的临近空间臭氧环境地面模拟方法，其特征在于，所述实验容器内部的臭氧浓度为10-80mg/L。
7.根据权利要求2或3所述的临近空间臭氧环境地面模拟方法，其特征在于，所述样品的表面相对于实验容器内部的臭氧分子的相对运动线速度为0-250m/s。
8.根据权利要求2或3所述的临近空间臭氧环境地面模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将样品切割成厚度为10-50μm的小片，依次用丙酮和无水乙醇超声清洗5-20min，在空气中自然干燥；
(2)将清洁干燥的样品固定在实验容器内部的碟盘状样品支架上，然后将实验容器采用机械泵和/或分子泵抽真空，所述实验容器的真空度至少为6×10-2Pa，以机械泵维持所述真空度；
(3)以高纯氧气为气源，通过臭氧发生器向已抽真空的实验容器内通入臭氧，并用片状臭氧发生器和/或氘灯紫外光源维持臭氧浓度，所述实验容器内部的臭氧浓度为10-80mg/L；
(4)通过调节样品所在的碟盘状样品支架的转速和/或调节样品的转动半径，使所述样品的表面相对于实验容器内部的臭氧分子具有相对运动线速度，模拟气动流体场的冲刷效应，实现对临近空间臭氧环境地面的模拟；所述相对运动线速度为0-250m/s。
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