CN113466119B - 一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及材料腐蚀技术领域，具体而言，涉及一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法，采用圆形结构的样品台，保证每个待测试材料的试验条件是相同的，减少了试验误差，采用了纳米精度的原子力显微镜测量试验前后待测试材料表面高度差和溅射试验后样品溅射区表面粗糙度，精度高，测量结构准确，最后以材料的溅射侵蚀速率和样品溅射区表面粗糙度这两个定量指标作为材料耐离子溅射腐蚀能力评价标准，简单易行，科学有效，精准度高，对材料性能进行评价与研究的同时，还可以对推力器的寿命进行评估，在提升材料耐离子溅射腐蚀性能的过程中，还可以实现提高推力器产品寿命的目的。

Description

一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法

技术领域

本申请涉及材料腐蚀技术领域，具体而言，涉及一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法。

背景技术

电推进系统具有高比冲、高效率的突出优势，已经成为世界各国长寿命和低成本卫星普遍采用的技术途径，在通信卫星领域，是否采用电推进系统已经成为衡量卫星先进性的重要标志，并且电推进系统现已成为破解我国卫星高承载、长寿命和姿轨精确控制设计难题的有效手段，当前和未来几十年内，我国空间领域对电推进的应用需求极为广阔，将涵盖通信卫星、深空探测、低轨高精度对地观测卫星及星座、科学探测卫星等。

但后续空间应用需求对推力器的寿命要求更高，材料长期受到离子溅射刻蚀导致结构失效是推力器寿命终结的主要失效模式之一，目前国内对材料的耐溅射性能评估手段尚处于定性阶段，不满足产品进行精确寿命评估的需求。因此需研究并建立材料耐溅射性能的评估方法，进而对材料进行评价与研究，提升材料耐溅射性能，达到提升推力器产品寿命与可靠性的目的。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法，简单易行，科学有效，精准度高，能够满足产品精确寿命评估的需求，进而对材料进行评价与研究，提升材料耐溅射性能，达到提升推力器产品寿命与可靠性的目的。

为了实现上述目的，本申请提供了一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法，包括如下步骤：步骤1：对待测试材料进行预处理，然后使用砂纸进行打磨，打磨至5000-7000目，再进行抛光处理，处理至镜面效果；步骤2：将步骤1中处理好的待测试材料放置在样品台上，使用无水乙醇超声清洗，清洗时间≥10min，清洗完成后放入真空环境进行烘干，将烘干后的样品台放置在离子源等离子体密度均匀处的轴线位置；步骤3：启动离子源，离子源正常工作一段时间后，取下样品台，取出待测试材料，再次使用无水乙醇超声清洗，清洗时间≥10min，清洗完成后放入真空环境进行烘干；步骤4：使用原子力显微镜测量待测试材料试验前后表面高度差，然后换算成单位时间单位能量溅射下待测试材料溅射面积上厚度的减少，即为材料的溅射侵蚀速率，作为判断待测试材料耐离子溅射腐蚀能力的首要指标；步骤5：使用原子力显微镜测量待测试材料试验后溅射区表面粗糙度，作为判断待测试材料耐离子溅射腐蚀能力的次要指标；步骤6：通过步骤4中材料的溅射侵蚀速率以及步骤5中样品溅射区表面粗糙度，对待测试材料耐离子溅射腐蚀能力做出评价。

进一步的，步骤1中抛光处理的方式为震动抛光或机械抛光或手动抛光。

进一步的，样品台包括底板、挡板、定位板以及样品放置区，其中：挡板通过固定螺丝与底板连接；定位板设置在底板和挡板之间；样品放置区为多个，均匀的阵列在底板上，并且环绕定位板设置。

进一步的，样品放置区的待测试材料的厚度与定位板的厚度等高或者高于定位板的厚度。

进一步的，样品台的制作材料为石墨。

进一步的，步骤4中，按照如下公式对待测试材料试验前后表面高度差和单位时间内单位能量溅射下样品溅射面积上厚度减少进行换算：

本发明提供的一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法，具有以下有益效果：

1、样品台的特殊设计，可保证每个待测试材料试验条件完全一致，最大限度减小试验误差，保证试验准确性，且样品台上待测试材料的尺寸和数量可自由调节，大大提高试验灵活性，提高试验效率，降低试验成本。

2、采用原子力显微镜测量材料离子溅射侵蚀速率和样品溅射区表面粗糙度，精度高，保证测量结果具有足够的精度和可靠性。

3、采用离子溅射侵蚀速率和样品溅射区表面粗糙度两项定量指标评价材料耐离子溅射腐蚀能力，评价结果更加准确、可靠性更高。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法的样品台示意图；

图中：1-底板、2-挡板、3-定位板、4-样品放置区、5-固定螺丝。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，本申请提供了一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法，包括如下步骤：步骤1：对待测试材料进行预处理，然后使用砂纸进行打磨，打磨至5000-7000目，再进行抛光处理，处理至镜面效果；步骤2：将步骤1中处理好的待测试材料放置在样品台上，使用无水乙醇超声清洗，清洗时间≥10min，清洗完成后放入真空环境进行烘干，将烘干后的样品台放置在离子源等离子体密度均匀处的轴线位置；步骤3：启动离子源，离子源正常工作一段时间后，取下样品台，取出待测试材料，再次使用无水乙醇超声清洗，清洗时间≥10min，清洗完成后放入真空环境进行烘干；步骤4：使用原子力显微镜测量待测试材料试验前后表面高度差，然后换算成单位时间单位能量溅射下待测试材料溅射面积上厚度的减少，即为材料的溅射侵蚀速率，作为判断待测试材料耐离子溅射腐蚀能力的首要指标；步骤5：使用原子力显微镜测量待测试材料试验后溅射区表面粗糙度，作为判断待测试材料耐离子溅射腐蚀能力的次要指标；步骤6：通过步骤4中材料的溅射侵蚀速率以及步骤5中样品溅射区表面粗糙度，对待测试材料耐离子溅射腐蚀能力做出评价。

具体的，本发明实施例提供的材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法，采用圆形结构的样品台，保证每个待测试材料的试验条件是相同的，减少了试验误差，采用了纳米精度的原子力显微镜测量试验前后待测试材料表面高度差和溅射试验后样品溅射区表面粗糙度，精度高，测量结构准确，后续将试验前后待测试材料表面高度差换算为单位时间内单位能量样品溅射面上厚度的减少，即可以得到材料的溅射侵蚀速率，最后以材料的溅射侵蚀速率和样品溅射区表面粗糙度这两个定量指标作为材料耐离子溅射腐蚀能力评价标准，简单易行，科学有效，精准度高，对材料性能进行评价与研究的同时，还可以对推力器的寿命进行评估，在提升材料耐离子溅射腐蚀性能的过程中，还可以实现提高推力器产品寿命的目的。

进一步的，步骤1中抛光处理的方式为震动抛光或机械抛光或手动抛光。步骤1中打磨用的砂纸起始型号可以根据待测试材料表面状态进行选择，抛光处理的方式可以选择震动抛光或者机械抛光或者手动抛光等，使待测试材料表面达到镜面效果即可。

进一步的，样品台包括底板1、挡板2、定位板3以及样品放置区4，其中：挡板2通过固定螺丝5与底板1连接；定位板3设置在底板1和挡板2之间；样品放置区4为多个，均匀的阵列在底板1上，并且环绕定位板3设置。样品台优选设计为圆台型，底板1主要起到固定支撑的作用，挡板2主要用于遮挡待测试材料，防止待测试材料散落，定位板3主要用于控制待测试材料的用量。底板1上设置有多个样品放置区4，可以放置多个待测试材料，保证在测量试验中，所有待测试材料的条件完全相同，保证测量结果的准确性，此外，待测试材料的放置尺寸和放置数量可以根据实际测量试验的条件自由调节，大大提高了测量试验的灵活性，提高了试验效率，降低了试验成本。

进一步的，样品放置区4的待测试材料的厚度与定位板3的厚度等高或者高于定位板3的厚度。厚度等高或者高于定位板3，可以使定位板3给予待测试材料压力，保证待测试材料在测试过程中不会因为重力掉落。

进一步的，样品台的制作材料为石墨。石墨材料耐离子溅射能力强，选择石墨材料制作样品台，能够提高样品台的使用寿命。

进一步的，步骤4中，按照如下公式对待测试材料试验前后表面高度差和单位时间内单位能量溅射下样品溅射面积上厚度减少进行换算：

即：材料溅射侵蚀速率＝μm/heV，其中μm为试验前后待测试材料表面的高度差，h为试验时间，V代表离子源工作时电压，eV代表电子伏特。

下面以不同规格钼材料为待测试材料，对本发明提供的材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法做进一步的说明：

步骤1：对待测试材料按照栅极处理的过程进行预处理，然后使用砂纸进行打磨，打磨至7000目，再进行抛光处理，使用1.5μm金刚石抛光膏抛光处理至镜面效果；

步骤2：将步骤1中处理好的待测试材料放置在样品台上，使用无水乙醇超声清洗，清洗时间15min，清洗完成后放入真空环境进行烘干，将烘干后的样品台放置在推力器(离子源)前外壳端面70cm轴线处，其中待测试材料的尺寸为φ2cm×0.05cm，样品台定位板3尺寸为φ4cm×0.03cm，挡板2尺寸为φ6cm×0.5cm，底板1尺寸为φ10cm×0.5cm，样品台材质均为石墨；

步骤3：启动推力器，推力器正常工作10h后，取下样品台，取出待测试材料，再次使用无水乙醇超声清洗，清洗时间15min，清洗完成后放入真空环境进行烘干；

步骤4：使用原子力显微镜测量待测试材料试验前后表面高度差，然后换算成单位时间单位能量溅射下待测试材料溅射面积上厚度的减少，即为材料的溅射侵蚀速率，作为判断待测试材料耐离子溅射腐蚀能力的首要指标；

步骤5：使用原子力显微镜测量待测试材料试验后溅射区表面粗糙度，作为判断待测试材料耐离子溅射腐蚀能力的次要指标；

步骤6：通过步骤4中材料的溅射侵蚀速率以及步骤5中样品溅射区表面粗糙度，对待测试材料耐离子溅射腐蚀能力做出评价，其中材料的溅射侵蚀速率和样品溅射区表面粗糙度越低，待测试材料耐离子溅射腐蚀能力越好。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对待测试材料进行预处理，然后使用砂纸进行打磨，打磨至5000-7000目，再进行抛光处理，处理至镜面效果；其中，待测试材料为钼材料；

步骤2：将步骤1中处理好的待测试材料放置在样品台上，使用无水乙醇超声清洗，清洗时间≥10min，清洗完成后放入真空环境进行烘干，将烘干后的样品台放置在离子源等离子体密度均匀处的推力器前外壳端面的轴线位置；

步骤3：启动离子源，离子源正常工作一段时间后，取下样品台，取出待测试材料，再次使用无水乙醇超声清洗，清洗时间≥10min，清洗完成后放入真空环境进行烘干；

步骤4：使用原子力显微镜测量待测试材料试验前后表面高度差，然后换算成单位时间单位能量溅射下待测试材料溅射面积上厚度的减少，即为材料的溅射侵蚀速率，作为判断待测试材料耐离子溅射腐蚀能力的首要指标；

步骤5：使用原子力显微镜测量待测试材料试验后溅射区表面粗糙度，作为判断待测试材料耐离子溅射腐蚀能力的次要指标；

步骤6：通过步骤4中材料的溅射侵蚀速率以及步骤5中样品溅射区表面粗糙度，对待测试材料耐离子溅射腐蚀能力做出评价；

所述样品台包括底板、挡板、定位板以及样品放置区，其中：

所述挡板通过固定螺丝与所述底板连接；

所述定位板设置在所述底板和所述挡板之间；

所述样品放置区为多个，均匀的阵列在所述底板上，并且环绕所述定位板设置；

所述样品放置区的待测试材料的厚度与所述定位板的厚度等高或者高于所述定位板的厚度；

所述样品台的制作材料为石墨；

所述步骤4中，按照如下公式对待测试材料试验前后表面高度差和单位时间内单位能量溅射下样品溅射面积上厚度减少进行换算：

即，材料溅射侵蚀速率＝μm/heV，其中μm为试验前后待测试材料表面的高度差，h为试验时间，V代表离子源工作时电压，eV代表电子伏特。

2.如权利要求1所述的材料耐离子溅射腐蚀能力测量评价方法，其特征在于，所述步骤1中抛光处理的方式为震动抛光或机械抛光或手动抛光。

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