CN111116962A - 一种用于空间聚合物材料的防原子氧薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于空间聚合物材料的防原子氧薄膜的制备方法，属于聚合物防原子氧剥蚀技术领域。本发明所述方法通过调控沉积过程的工艺参数，在基底上获得密度不同的硅氧烷薄膜，从而获得软硬程度不同的硅氧烷薄膜，降低硅氧烷薄膜的模量，增加硅氧烷薄膜的柔韧性，实现与聚合物材料基底良好的结合，防止在长时间原子氧辐照下开裂，保证航天器在空间环境下长期稳定可靠工作。

Description

一种用于空间聚合物材料的防原子氧薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于空间聚合物材料的防原子氧薄膜的制备方法，属于聚合物防原子氧剥蚀技术领域。
背景技术
聚合物材料(聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚亚胺酯等)凭借优异的光学性能、较高的比强度、轻质、高柔性、易加工等特性在航天器上已广泛应用。航天技术的快速发展对航天器结构设计及轻量化的需求越来越高，航天器部件中各类聚合物材料的使用比例日益增加。另外，航天器的设计寿命也在不断提升，航天器中的各类结构及功能性聚合物材料在空间飞行时需经受更长时间的复杂环境，如各类带电粒子辐射、太空紫外线辐射、高低温交变、高真空放气、空间碎片以及高能原子氧(Atomic Oxygen简称AO)冲击等。尤其是高能原子氧对低轨航天器防护表面严重的氧化和剥蚀效应，严重影响航天器的使用寿命，因此聚合物的原子氧剥蚀失效已成为限制空间站发展的一个关键因素，即如何进一步提高空间站上聚合物材料的防原子氧剥蚀性能是航天空间站技术发展的一个重要方向。
在聚合物材料表面沉积涂层是国内外采用最多也最为成熟的防护方案，如沉积氧化铝、二氧化硅以及有机硅氧烷等涂层。其中，在聚合物材料表面上沉积致密的有机硅氧烷是目前国内外普遍采用的原子氧防护方法，该致密的有机硅氧烷防护薄膜兼具良好的原子氧防护性能和机械柔性，易于加工且在前期有良好的防护性能。但是目前所制备的有机硅氧烷防护薄膜在原子氧通量超过2.5×1022atom/cm2时(即等效5年之后)，有机硅防护薄膜在高能原子氧的物理化学作用下发生了结构和成分变化，从有机硅氧烷聚合物转变成了高模量的二氧化硅。尽管二氧化硅自身具有良好的原子氧防护性能，然而它自身与聚合物弱的界面结合力以及辐照过程中相结构变化引起的应力分布差异使得原有致密的防护膜开裂，产生微米级的针状缺口，从而不再起到原子氧防护作用。该防护策略的设计以及有时限的原子氧防护性能仍远无法满足空间站在低轨15年的设计需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于空间聚合物材料的防原子氧薄膜的制备方法，利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)在聚合物材料表面沉积密度不同的硅氧烷薄膜，实现与聚合物材料良好的结合，并能有效抵抗空间原子氧腐蚀和冲击，保证航天器在空间环境下长期稳定可靠工作。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种用于空间聚合物材料的防原子氧薄膜的制备方法，所述方法步骤如下：
基底以30mm/min～50mm/min的走带速度通过镀膜真空腔室过程中，镀膜真空腔室中六甲基二硅氧烷单体气体和氧气的混合气体经过电离后沉积在基底上，沉积功率为400W～500W，在基底上形成防原子氧薄膜；
其中，混合气体中，六甲基二硅氧烷单体气体的流速为20sccm～30sccm，氧气的流速为40sccm～50sccm；混合气体的浓度在基底的运动方向上呈正态分布；镀膜真空腔室的真空度不小于4×10-3Pa，沉积的工作压力不大于10Pa。
基底为为聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚亚安酯等聚合物材料。
基底上防原子氧薄膜的厚度为200nm～400nm。
有益效果：
本发明所述方法通过调控沉积过程的工艺参数，在基底上获得密度不同的硅氧烷薄膜，从而获得软硬程度不同的硅氧烷薄膜，降低硅氧烷薄膜的模量，增加硅氧烷薄膜的柔韧性，实现与聚合物材料基底良好的结合，防止在长时间原子氧辐照下开裂，保证航天器在空间环境下长期稳定可靠工作。
附图说明
图1为实施例1中制备的含有防原子氧薄膜的聚酰亚胺与聚酰亚胺的抗原子氧性能的对比曲线图。
图2是图1中含有防原子氧薄膜的聚酰亚胺的抗原子氧性能的放大曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
(1)将镀膜真空腔室的真空度抽至4×10-3Pa；
(2)将盛放六甲基二硅氧烷单体(纯度为99.97％)的容器水浴加热至35℃，使六甲基二硅氧烷单体液体变成气体，流速为30sccm的六甲基二硅氧烷单体气体与流速为50sccm的氧气混合后充入镀膜真空腔室内，控制镀膜真空腔室的工作压力为5Pa，且六甲基二硅氧烷单体气体与氧气的混合气体浓度在基底的运动方向上呈正态分布(即混合气体的浓度在基底的运动方向上先增加后减小)；
(3)设置聚酰亚胺基底在镀膜真空腔室的走带速度为37mm/min以及沉积功率为400W，利用PECVD法使镀膜真空腔室内的混合气体经过电离后沉积在运动的聚酰亚胺基底上，聚酰亚胺基底通过镀膜真空腔室后表面沉积一层平均厚度约为230nm的防原子氧薄膜。
根据图1和图2可知，采用本实施例所述方法制备的防原子氧薄膜具有良好的抗原子氧性能，能够满足航天器在空间环境下长期稳定可靠工作的需求。
实施例2
(1)将镀膜真空腔室的真空度抽至4×10-3Pa；
(2)将盛放六甲基二硅氧烷单体(纯度为99.97％)的容器水浴加热至35℃，使六甲基二硅氧烷单体液体变成气体，流速为20sccm的六甲基二硅氧烷单体气体与流速为40sccm的氧气混合后充入镀膜真空腔室内，控制镀膜真空腔室的工作压力为9Pa，且六甲基二硅氧烷单体气体与氧气的混合气体浓度在基底的运动方向上呈正态分布(即混合气体的浓度在基底的运动方向上先增加后减小)；
(3)设置聚酰亚胺基底在镀膜真空腔室的走带速度为50mm/min以及沉积功率为500W，利用PECVD法使镀膜真空腔室内的混合气体经过电离后沉积在运动的聚酰亚胺基底上，聚酰亚胺基底通过镀膜真空腔室后表面沉积一层平均厚度约为280nm的防原子氧薄膜。
采用本实施例所述方法制备的防原子氧薄膜具有良好的抗原子氧性能，能够满足航天器在空间环境下长期稳定可靠工作的需求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于空间聚合物材料的防原子氧薄膜的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下，
基底以30mm/min～50mm/min的走带速度通过镀膜真空腔室过程中，镀膜真空腔室中六甲基二硅氧烷单体气体和氧气的混合气体经过电离后沉积在基底上，沉积功率为400W～500W，在基底上形成防原子氧薄膜；
其中，混合气体中，六甲基二硅氧烷单体气体的流速为20sccm～30sccm，氧气的流速为40sccm～50sccm；混合气体的浓度在基底的运动方向上呈正态分布；镀膜真空腔室的真空度不小于4×10-3Pa，沉积的工作压力不大于10Pa。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间聚合物材料的防原子氧薄膜的制备方法，其特征在于：基底为聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚亚安酯。
3.根据权利要求1所述的一种用于空间聚合物材料的防原子氧薄膜的制备方法，其特征在于：基底上防原子氧薄膜的厚度为200nm～400nm。
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