CN111471995A - 一种防月尘材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及提供了一种防月尘材料及其应用，防月尘材料包括基材和防尘涂层；所述防尘涂层是在所述基材表面形成的涂层；所述防尘涂层由以下方法形成的：将所述基材用防尘剂浸涂、干燥处理，得到中间体基材；然后，将所述中间体基材进行超热氢交联技术处理，在所述基材表面形成了防尘涂层；所述基材是表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材；所述防尘剂，按重量百分比计主要由以下原料制成：全氟硅烷1％～5％；硅烷偶联剂1％～2％；余量为无水乙醇。本发明防月尘材料通过在基材的表面形成一层含氟修饰涂层，含氟涂层降低了基材的表面能，减小了月尘和基材表面的范德华力，能有效阻止月尘在基材表面富集，可以保证探月装置元件的正常使用。

Description

一种防月尘材料及其应用
技术领域
本发明涉及材料领域，具体涉及一种防月尘材料及其应用。
背景技术
月球上覆盖了一层厚厚的月尘，是由流星装击月球表面形成的风化层，包含大量微米级和亚微米级的细小颗粒。这些细小的月尘颗粒有较高的比表面积和绝缘性，又在月球的高温、强辐射环境和各种接触、摩擦等的作用下，很容易带上电荷，表现很强的粘附力。如果这些月尘粘附或堆积在探月装置设备上，有可能损坏机械部件，堵塞传感器或降低光学仪器的精度，大幅度影响器件的光学性质，比如吸收率和发射率等，进而导致温度升高散热困难。其次月球尘埃棱角分明，会磨损宇航服和设备。因此，月尘是探月工程中最大的危害，给登月带来了许多困难。
现有技术中，科研人员探索了许多中防月尘的方法，比如提高表面导电性或降低范德华力、物理振动、擦拭等方法；具体像刷子清扫法，利用刷子克服灰尘与光学表面间的附着力，使灰尘从光学表面脱离，但是这种方法需要宇航员的参与，浪费宇航员的时间，且清除效果难度较大；激光脉冲除尘法，当脉冲激光照射待清洁表面时，灰尘离子产生瞬间热膨胀，从表面弹射出，但是这种方法需要选择合适的参数，若参数设置不当可能会造成光学表面的膜层破坏。因此，开发出一种防月尘的材料从而保障着陆器和宇航服安全、有效地工作是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中探月装置防月尘的方法存在需要宇航员参与除月尘工作，浪费宇航员的时间、月尘去除率低或破坏元件的风险等技术问题，提供了一种防月尘材料，该材料可以有效减少月尘堆积附着于材料表面，保证探月装置元件的正常使用，无需宇航员参与除月尘工作，从而减少了宇航员工作量，确保探月顺利进行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种防月尘材料，包括基材和防尘涂层；
所述防尘涂层是在所述基材表面形成的涂层；
所述防尘涂层由以下方法形成的：将所述基材用防尘剂浸涂、干燥处理，得到中间体基材；然后，将所述中间体基材进行超热氢交联技术处理，在所述基材表面形成了防尘涂层；
所述基材是表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材；
所述防尘剂，按重量百分比计主要由以下原料制成：
全氟硅烷1％～5％；
硅烷偶联剂1％～2％；
余量为无水乙醇。
本发明提供的防月尘材料，基材选用表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材，然后将所述基材用防尘剂浸涂、干燥处理，超热氢交联技术处理，使得基材表面的涂层形成一种新的表面结构，通过分子自组装排列的方式形成一层单分子膜交联到基材表面所形成的一层含氟修饰涂层，含氟涂层降低了基材的表面能，减小了月尘和基材表面的范德华力，能有效阻止月尘在基材表面表面富集，其中防月尘的效果与基材表面的粗糙度、全氟硅烷的质量分数、防尘涂层形成过程等因素有着直接密切的关系，本发明通过控制不同的影响因素，制备出对月尘有很好防护作用的材料，可以保证探月装置元件的正常使用，无需宇航员参与除月尘工作，从而减少了宇航员工作量。
进一步的，利用超热氢交联处理使得防尘剂通过分子自组装排列的方式形成一层单分子膜交联到基材表面而形成的涂层。
进一步的，所述防月尘材料表面接触角大于120°，表面能小于22J/cm2。
进一步的，所述全氟硅烷是三氯基全氟硅烷、三乙氧基全氟硅烷、三甲氧基全氟硅烷中的一种或几种。
进一步的，所述防尘剂通过以下方法制备而成的：
步骤1、按比例将全氟硅烷、硅烷偶联剂溶解于无水乙醇中，得到第一溶液；
步骤2、将步骤1得到的第一溶液进行分散处理，得到防尘剂。
分散处理可以让全氟硅烷、硅烷偶联剂均匀分散于无水乙醇中，有利于除尘涂层均匀的浸涂于基材上，有效发挥防月尘的作用。
进一步的，所述步骤2中的分散处理是搅拌处理、超声波处理、旋转震荡处理中的一种或多种。
进一步的，所述步骤2中，将步骤1得到的第一混合溶剂在4000r/min～6000r/min的转速下搅拌20min-60min后，再用超声波处理10min-40min，得到防尘剂。进一步的所述超声波处理过程中，超声波频率为20-60KHz。分散混合处理方法简单、可靠，得到的防尘剂溶液均匀分散，不会出现沉降现象。
进一步的，所述全氟硅烷的重量百分比为1％～3.5％。优选地，所述全氟硅烷的重量百分比为2.0％～3.0％。发明人经过大量的实验研究发现，防尘剂中全氟硅烷的质量分数与防月尘效果有着直接密切的联系，研究发现全氟硅烷含量过少，月尘在基材表面的粘附力下降的少，不能有效阻止月尘在基材表面的富集，全氟硅烷含量过多的时候，月尘粘附力反而下降的少，本发明优选出所述全氟硅烷2.0％～3.0％，在此含量范围中，月尘粘附力更低，防月尘效果更好。
进一步的，表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材是通过以下方法制得的：
S1：将待处理铝基材或不锈钢基材表面进行机械抛光处理，得到第一基材；
S2：将步骤1得到的第一基材进行电化学法抛光，得到表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材。
研究发现普通的铝基材和不锈钢基材表面的粗糙度较高，只有一步机械抛光处理不能达到低于100nm的粗糙度，高于100nm粗糙度的基材镀上本发明的防尘剂防尘效果不佳，需要电化学法进一步的抛光处理，此方法操作简单。
进一步的，所述S2中：以S1得到的第一基材为阳极，金属铜为阴极，浸入到电解槽的电解液中，通以直流电，在1～2A/cm2的电流密度下进行刻蚀120S～360S，得到表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材。进一步的，所述电解槽中的电解液是0.2-2mol/L的NaCl溶液。
上述抛光处理方法，先将基材进行机械抛光预处理，可以使得基材的表面的杂质、灰尘被去除，表面粗糙度变得较小，之后再用电化学法进行抛光，产生有选择性的阳极溶解，使基材表面光亮度增大，达到镜面效果，粗糙度降为100nm以下。
进一步的，所述S2中，得到的表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材形成的表面微纳结构为圆柱状，柱体直径10-30nm，间距小于100nm。
进一步的，所述防尘涂层通过以下方法形成的：将所述基材置于所述防尘剂中静置至少2h，取出、干燥处理后得到中间体基材，将所述中间体基材进行超热氢交联技术处理，所述超热氢交联技术的工艺参数为：电压：100-300V，真空度：0.05-0.15Pa，功率：50-300W，处理时间：10-120s；在所述基材表面形成了防尘涂层。
进一步的，静置2h～6h。研究发现基材在防尘剂中静置的时间过少，防尘涂层形成的效果不好，也会影响材料的防月尘效果。
进一步的，干燥处理是将基材在100℃～200℃下干燥1～3小时。
进一步的，所述干燥处理的设备为鼓风烘箱。
本方法的另一目的提供了上述防月尘材料在探月航天设备、探测器、宇航车、宇航服中的应用。
该材料制备方法简单，可以有效避免大量月尘堆积附着于材料表面，探月航天设备、探测器、宇航车、宇航服包含该防月尘材料，无需宇航员进行除月尘操作，可以保证探月装置元件的正常使用，确保探月顺利进行。
超热氢技术的工作原理：在低真空(10-4Pa)的环境中，离子源(电子、H2、H+)在微波的作用下，产生电子、H2、H+等离子体，这些等离子在电场的作用下进行激烈碰撞，经正离子抽取电源、阻挡电子电源、阻挡正离子电源作用，电子和离子被阻挡在离子隔板外，使得被加速了的含有一定能量的H2进入样品室，直接和样品接触进行表面处理。具有一定能量H2轰击样品表面，它主要对材料中的C-H键作用，使得样品表面C-H键变成C自由基，由于高能H2的能量是特定的，只会对C-H键作用，而不对C-C(C＝C)键产生破坏；样品被处理后，表面碳自由基可以与其它基团发生交联反应，从而可以形成一种新的表面结构。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的防月尘材料，基材选用表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材，然后将所述基材用防尘剂浸涂、干燥处理，超热氢交联技术处理，使得基材表面的涂层形成一种新的表面结构，通过分子自组装排列的方式形成一层单分子膜交联到基材表面所形成的一层含氟修饰涂层，含氟涂层降低了基材的表面能，减小了月尘和基材表面的范德华力，能有效阻止月尘在基材表面表面富集，其中防月尘的效果与基材表面的粗糙度、全氟硅烷的质量分数、防尘涂层形成过程等因素有着直接密切的关系，本发明通过控制不同的影响因素，制备出对月尘有很好防护作用的材料，可以保证探月装置元件的正常使用，无需宇航员参与除月尘工作，从而减少了宇航员工作量。
2、本发明提供的防月尘材料，基材选用表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材，月尘防护材料透光率高，不需要使用电力，从根本上避免了低气压放电现象的发生，减少了月尘的粘附力，确保了使用时期的安全性，该防月尘材料制备方法简单，经济可靠，防尘效果良好。
3、本发明提供了预处理基材的方法，先将基材进行机械抛光预处理，可以使得基材的表面的杂质、灰尘被去除，表面粗糙度变得较小，之后再用电化学法进行抛光，经过有选择性的阳极溶解，使基材表面光亮度增大，达到镜面效果，粗糙度降为100nm下，接触角大于120°，表面能小于22J/cm2，该方法操作简单，效果较好。
附图说明
图1、实施例1中纯铝片表面粘附月尘的高倍镜图。
图2、实施例1中防月尘材料表面粘附月尘的高倍镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
注：以下实施例所用抛光处理前的铝片、不锈钢片为同一批次，抛光前铝片的粗糙度为320nm±5nm；所用抛光前不锈钢片粗糙度为355nm±5nm。
以下实施例中未说明的百分比为质量百分比。
实施例1
制备防尘剂
步骤1、按比例将1％全氟硅烷、2％硅烷偶联剂溶解于97％无水乙醇中，然后在4000r/min的转速下搅拌40min后，再用超声波处理10min，超声波频率为60KHz，得到防尘剂。
处理铝片(纯铝片)
S1：将铝片表面先进行机械抛光处理，之后，将抛机械抛光后的铝片为阳极，金属铜为阴极，两极同时浸入到电解槽中0.15mol/L的氯化钠溶液，通以直流电，在2A/cm2的电流密度下进行刻蚀360S，得到抛光后的铝片。
经测试，抛光后铝片的表面粗糙度为20nm，将其浸涂于防尘剂中，静置3.5小时后，取出后在150℃烘箱中干燥2小时，利用超热氢交联处理使得防尘剂通过分子自组装排列的方式形成一层单分子膜交联到基材表面，得到防月尘材料，其中，所述超热氢交联技术的工艺参数为：电压：200V，真空度：0.15Pa，功率：150W，处理时间：80s。经测试防月尘材料表面接触角为120°。
先用超声振荡器使得纯铝片和上述制备的防月尘材料表面铺满月尘，然后在离心平台上进行旋转测试，得到纯铝片的高倍镜图如图1所示，得到的防尘材料的高倍镜图如图2所示，从图1和图2图中可以看出本发明制备的防月尘材料可以大大减少月尘在基材表面的粘附，保证探月装置元件的正常使用。
同时测试制备的防月尘材料对月尘的粘附力，经测试，制备得到的防月尘材料上月尘的粘附力相对于纯铝片来说，减小了75％。
实施例2
制备防尘剂
步骤1、按比例将3％全氟硅烷、1％硅烷偶联剂溶解于96％无水乙醇中，然后在5000r/min的转速下搅拌30min后，再用超声波处理20min，超声波频率为40KHz，得到防尘剂。
处理铝片(纯铝片)
S1：将铝片表面先进行机械抛光处理，之后，将抛机械抛光后的铝片为阳极，金属铜为阴极，两极同时浸入到电解槽中0.5mol/L的氯化钠溶液，通以直流电，在1.5A/cm2的电流密度下进行刻蚀120S，得到抛光后的铝片。
经测试，抛光后铝片的表面粗糙度为80nm，将其浸涂于防尘剂中，静置2小时后，取出后在150℃烘箱中干燥2小时，利用超热氢交联处理使得防尘剂通过分子自组装排列的方式形成一层单分子膜交联到基材表面，得到防月尘材料，其中，所述超热氢交联技术的工艺参数为：电压：100V，真空度：0.05Pa，功率：200W，处理时间：20s。测试制备的防月尘材料对月尘的粘附力，经测试，制备得到的防月尘材料上月尘的粘附力相对于纯铝片来说，减小了65％。
实施例3
制备防尘剂
步骤1、按比例将2％全氟硅烷、2％硅烷偶联剂溶解于96％无水乙醇中，然后在4500r/min的转速下搅拌30min后，再用超声波处理20min，超声波频率为50KHz，得到防尘剂。
处理不锈钢片(纯不锈钢片)
S1：将不锈钢片表面先进行机械抛光处理，之后，将抛机械抛光后的不锈钢片为阳极，金属铜为阴极，两极同时浸入到电解槽中0.2mol/L的氯化钠溶液，通以直流电，在2A/cm2的电流密度下进行刻蚀300S，得到抛光后的不锈钢片。
经测试，抛光后不锈钢片的表面粗糙度为23nm，将其浸涂于防尘剂中，静置2小时后，取出后在150℃烘箱中干燥2小时，利用超热氢交联处理使得防尘剂通过分子自组装排列的方式形成一层单分子膜交联到基材表面，得到防月尘材料，其中，所述超热氢交联技术的工艺参数为：电压：100V，真空度：0.15Pa，功率：50W，处理时间：110s。测试制备的防月尘材料对月尘的粘附力，经测试，制备得到的防月尘材料上月尘的粘附力相对于纯不锈钢片来说，减小了62％。
实施例4-12
实施例4-12对防尘剂中全氟硅烷质量百分比含量对防月尘效果的影响做了试验，实施例4-12相比实施例1制备防尘剂的过程是相同的，仅改变了全氟硅烷质量百分比，对应的增加、减无水乙醇的量来保证防尘剂总量不变，利用实施例1相同的抛光后的铝片、相同的浸涂方法制备防月尘材料，然后对测试制备的防月尘材料对月尘的粘附力，并与纯铝片进行对比，月尘粘附力下百分比如表1所示。
表1全氟硅烷质量百分比含量对防月尘效果的影响
Figure BDA0002502385480000091
Figure BDA0002502385480000101
研究发现，防尘剂中全氟硅烷的质量分数与防月尘效果有着直接密切的联系，研究发现全氟硅烷含量过少，月尘在基材表面的粘附力下降的少，不能有效阻止月尘在基材表面的富集，全氟硅烷含量过多的时候，月尘粘附力反而下降的少，本发明优选出所述全氟硅烷2.0％～3.0％，在此含量范围中，月尘粘附力更低，防月尘效果更好。
对比例1
对比例1制备防月尘材料过程中，仅对纯铝片和不锈钢片进行机械抛光，防尘剂用实施例1制备的防尘剂。铝片表面，机械抛光后表面粗糙度230nm，不锈钢片，机械抛光后表面粗糙度为254nm，把机械抛光后的铝片和不锈钢片在防尘剂中静置3.5小时后，取出后在150℃烘箱中干燥2小时，利用超热氢交联处理使得防尘剂通过分子自组装排列的方式形成一层单分子膜交联到基材表面，用离心力法测试对月尘的粘附力，防月尘铝片中月尘的粘附力相对于纯铝片来说，减小了21％，防月尘铝片表面的接触角为154°，防月尘不锈钢片中月尘的粘附力相对于纯不锈钢片来说，减小了20％，防月尘不锈钢表面的接触角为152°。实验表明仅仅机械抛光，铝片或不锈钢片表明粗糙度依然大于100nm，事实证明粗糙度过大，浸涂相同的防尘剂，制备的防月尘材料的防月尘效果会受到严重的影响。
对比例2
对比例2制备防月尘材料过程中，对纯铝片不进行机械抛光，也没有电化学抛光，防尘剂用实施例1制备的防尘剂。铝片表面，粗糙度320nm左右，将其浸涂于防尘剂中，静置3.5小时后，取出后在150℃烘箱中干燥2小时，利用超热氢交联处理使得防尘剂通过分子自组装排列的方式形成一层单分子膜交联到基材表面，用离心力法测试对月尘的粘附力，月尘的粘附力相对于纯铝片来说，减小了24％，最终材料表面的接触角为157°。实验表明粗糙度过大，浸涂相同的防尘剂，制备的防月尘材料的防月尘效果会受到严重的影响。
对比例3
对比例3试验过程使用实施例1制备的防尘剂和抛光后的铝片，不同之处在于，对比例3在防尘剂中静置了1h，取出铝片，相同的干燥处理过程，然后对测试制备的防月尘材料对月尘的粘附力，并与纯铝片进行对比，月尘粘附力下百分比40％，研究发现，基材置于研究发现基材在防尘剂中静置的时间过少，防尘涂层形成的效果不好，也会影响材料的防月尘效果。
对比例4
将表面粗糙度为120nm、表面粗糙度为150nm、表面粗糙度为98nm的铝片置于实施例1制备的防尘剂中，将其浸涂于防尘剂中，静置3.5小时后，干燥处理后，利用超热氢交联处理使得防尘剂通过分子自组装排列的方式形成一层单分子膜交联到基材表面，进行与实施例1相同的干燥处理的过程，并测试三个制备的防月尘材料对月尘的粘附力，并与纯铝片进行对比，月尘粘附力下百分比分别为45％、42％、70％，研究发现粗糙度过大，浸涂相同的防尘剂，制备的防月尘表面的防月尘效果会受到严重的影响。
对比例5
对比例5相比实施例1来说，防尘涂层的形成过程不同，其余的条件如基材、防尘剂配方、抛光过程等均与实施例1相同，相比实施例1的防尘涂层形成的过程，对比例5仅有相同的浸涂过程，没有超热氢交联技术处理，测试了制备的防月尘材料对月尘的粘附力，并与纯铝片进行对比，月尘粘附力下百分比为40％，说明本发明的防尘涂层过程对防月尘效果有着重要的影响。
本发明提供的防月尘材料，基材选用表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材，然后再基材的表面形成一层低表面能的含氟修饰涂层，含氟涂层降低了基材的表面能，减小了月尘和基材表面的范德华力，能有效阻止月尘在基材表面的富集，其中防月尘的效果与基材表面的粗糙度、全氟硅烷的质量分数、防尘涂层形成过程等因素有着直接密切的关系，本发明通过控制不同的影响因素，制备出对月尘有很好防护作用的材料，可以保证探月装置元件的正常使用，有效节约宇航员的时间。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防月尘材料，其特征在于，包括基材和防尘涂层；
所述防尘涂层是在所述基材表面形成的涂层；
所述防尘涂层由以下方法形成的：将所述基材用防尘剂浸涂、干燥处理，得到中间体基材；然后，将所述中间体基材进行超热氢交联技术处理，在所述基材表面形成了防尘涂层；
所述基材是表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材；
所述防尘剂，按重量百分比计主要由以下原料制成：
全氟硅烷1％～5％；
硅烷偶联剂1％～2％；
余量为无水乙醇。
2.根据权利要求1所述的防月尘材料，其特征在于，所述防月尘材料表面接触角大于120°，表面能小于22J/cm2。
3.根据权利要求1所述的防月尘材料，其特征在于，所述全氟硅烷是三氯基全氟硅烷、三乙氧基全氟硅烷、三甲氧基全氟硅烷中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的防月尘材料，其特征在于，所述防尘剂中，所述全氟硅烷的重量百分比为1％～3.5％。
5.根据权利要求4所述的防月尘材料，其特征在于，所述防尘剂中，所述全氟硅烷的重量百分比为2.0％～3.0％。
6.根据权利要求1所述的防月尘材料，其特征在于，所述防尘涂层通过以下方法形成的：将所述基材置于所述防尘剂中静置至少2h，取出、干燥处理后得到中间体基材，将所述中间体基材进行超热氢交联技术处理，所述超热氢交联技术的工艺参数为：电压：100-300V，真空度：0.05-0.15Pa，功率：50-300W，处理时间：10-120s；在所述基材表面形成了防尘涂层。
7.根据权利要求1所述的防月尘材料，其特征在于，所述防尘剂由以下方法制备而成的：
步骤1、按比例将全氟硅烷、硅烷偶联剂溶解于无水乙醇中，得到第一溶液；
步骤2、将步骤1得到的第一溶液进行分散处理，得到防尘剂；所述步骤2中的分散处理是搅拌处理、超声波处理、旋转震荡处理中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的防月尘材料，其特征在于，表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材是由以下方法制得的：
S1：将待处理铝基材或不锈钢基材表面进行机械抛光处理，得到第一基材；
S2：将步骤1得到的第一基材进行电化学法抛光，得到表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材。
9.根据权利要求8所述的防月尘材料，其特征在于，所述S2中：以S1得到的第一基材为阳极，金属铜为阴极，浸入到电解槽的电解液中，通以直流电，在1～2A/cm2的电流密度下进行刻蚀120S～360S，得到表面粗糙度低于100nm的铝基材或不锈钢基材。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述的防月尘材料在探月航天设备、探测器、宇航车、宇航服中的应用。
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