[发明专利]一种耐空间环境原子氧剥蚀的杂化材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐空间环境原子氧剥蚀的杂化材料及制备方法，它是一种耐原子氧剥蚀的新型有机/无机杂化材料以及一种提高航天器用聚合物和聚合物基复合材料耐原子氧剥蚀性能的方法，具体地说，是指在聚合物中通过溶胶－凝胶法，原位生成不与原子氧反应的无机微纳米相，来提高航天器用聚合物、聚合物基复合材料的耐原子氧剥蚀性能。它属于航天器材料原子氧防护技术领域。

背景技术

聚合物和聚合物基复合材料性能优异，在航天器上有着广泛的应用。

低地球轨道是航天器的主要运行轨道之一，而原子氧是低地球轨道环境中含量最高、最活跃的大气组分，具有很强的氧化性。当航天器在空间低地球轨道环境中高速运行时，由于相对运动，原子氧撞击作用于航天器表面的能量和通量都比较大。

航天器上使用的大部分聚合物和聚合物基复合材料，在轨道环境中原子氧的作用下有较为严重的剥蚀，材料的厚度和质量会损失，表面形貌发生变化，力、热、光、电等性能也会出现退化，从而影响了航天器的正常工作和使用寿命。为了保障航天器的长期在轨可靠运行，并延长其使用寿命，提高航天器用聚合物和聚合物基复合材料的耐原子氧剥蚀性能是十分重要和必要的。

目前，航天器上常用的耐原子氧剥蚀方法主要有：（一）原子氧防护涂层：它是在易受剥蚀的材料表面涂覆或喷镀上一层保护涂层，将原子氧与材料表面隔离开来，从而达到保护材料不受原子氧剥蚀的效果。原子氧防护涂层这种方法出现的最早，也是目前最常用的，涂层材料一般选择在原子氧环境中比较稳定的，如硅树脂、氧化物、金属以及复合涂层等。这些防护涂层的保护效果，已经得到了空间飞行试验的证实，并被广泛应用在航天器表面。如国际空间站上就大量使用了防护涂层来确保其高可靠性和长寿命运行。但是这种方法会带来航天器结构的复杂化，还会增加部件成型和加工的难度。另外，防护涂层容易出现裂纹、孔洞等缺陷，如：①当航天器在轨道中运行时，其表面温度是在约±80°C之间变化的（这被称为热循环，周期约90分钟），由于涂层和底层材料的热膨胀系数不同，在长期热循环的作用下，两者之间的热应力可能会使涂层表面出现裂纹；②空间微陨石和垃圾碎片的撞击，也会使涂层表面出现孔洞等缺陷；③在涂层的沉积过程以及部件加工成型时，涂层表面也有可能会产生缺陷。由此可见，涂层表面产生缺陷的原因是多方面的，也是不可预知和很难避免的。这些缺陷一旦形成，原子氧就会穿过这些缺陷与底层材料发生反应，形成掏蚀，并最终导致涂层失去保护作用甚至脱落，从而给航天器带来设计预期之外的破坏。这说明防护涂层的有效性依赖于涂层的完整性，以及必须尽可能避免空间碎片撞击等缺陷形成机制，否则同样会给航天器带来严重的隐患。（二）材料的表面改性：主要是通过表面硅烷化或离子注入（铝、硅、钇等离子）这两种途径来改变材料的表面元素组成，使其表面含有丰富的铝、硅等元素，从而使材料在空间环境中原子氧的作用下能够形成氧化物层（氧化硅、氧化铝等）。由于这些氧化物是不与原子氧反应的，并覆盖于材料表面，从而就减小了材料的原子氧剥蚀程度，提高了材料的耐原子氧剥蚀性能。这种方法实际上是改变了材料表面一定深度的元素组成，然后在特定的条件下，材料表面就能够生成耐原子氧的新结构或保护层。这种方法处理后的航天器材料，保护层仅是在材料表面一定厚度范围内存在，如果遭到微陨石和垃圾碎片的撞击，同样也会失效。同时，在采用这种方法来处理航天器外表面较大部件目前难度还是比较大的。（三）基体强化技术：主要是通过共混、掺杂、共聚、溶胶－凝胶等方法，将耐原子氧基团或是耐原子氧组分引入聚合物中，以获得耐原子氧的新材料。譬如在聚合物的主链上添加一些能够耐原子氧的元素、基团或组分，如硅、氟、锆、锡、磷氧基团等或SiO₂、Al₂O₃、纳米蒙脱土、ZrO₂、TiO₂等无机耐原子氧组分，以提高材料的耐原子氧剥蚀性能。与涂层和表面改性相比，基体强化具有以下优点：①表面若被破坏，缺陷处仍能形成新的防护层，具有自修复功能；②避免了原子氧经涂层缺陷的掏蚀；③可作薄膜、块体，也可作为复合材料的树脂基体。因此它比防护涂层和表面改性更有优势，是目前提高材料耐原子氧性能的发展方向，国内外近年来的研究动态也证明了这一点。

发明内容