[发明专利]碳纳米管原子氧探测器及其制造方法

说明书

本发明公开了一种空间原子氧的碳纳米管探测器，包括基底、碳纳米管层、电极，其中碳纳米管层设置在基底中间，碳纳米管层的两端各镀上电极，通过测量两电极之间的电阻变化来探测空间氧原子的注量。本发明也公开了一种该探测器的制造方法。本发明的薄膜电阻测量原子氧探测器结构简单，且碳纳米管膜厚度可以控制，具有长的使用寿命。

技术领域

本发明属于空间环境探测技术领域，具体而言，本发明涉及一种碳纳米管原子氧探测器以及该探测器的制造方法。

背景技术

在低地球轨道上(200～700km)，空间原子氧环境是危害航天器安全的主要环境因素之一。虽然原子氧的密度不是很大，一般在10⁹～10⁵cm^-3左右，但是由于原子氧的化学活性高，同时与轨道上的航天器相对运动速度大(7.8km/s左右)，因此增大了原子氧对航天器的撞击能量(约5eV)和通量。原子氧一方面会与航天器表面材料发生化学反应，另一方面会溅射航天器表面材料，从而导致材料物理和化学性质发生变化，使功能性材料性能退化，威胁航天器的寿命与可靠性。

评价航天器表面材料在原子氧环境下的性能退化情况，首先必须了解原子氧环境，分析轨道原子氧通量。空间原子氧环境探测试验是原子氧效应研究中最重要的工作之一，美国航空航天局原子氧数据库和环境模型主要来源于在轨探测试验结果，这些探测数据为低地球轨道航天器的原子氧环境防护设计提供了依据，也为原子氧地面模拟试验提供了准则。

原子氧环境探测离不开探测仪器。目前原子氧探测的方法主要有质谱法、薄膜电阻测量方法、半导体材料吸附感知方法、化学热探头感知方法等。其中薄膜电阻测量方法由于工艺简单，是较常用的一种探测原子氧的方法。该方法主要通过薄膜电阻变化来分析原子氧的通量。首先选择对原子氧敏感的导电材料，并将其沉积在绝缘基底上形成一定厚度的薄膜。当传感器入轨后，薄膜暴露在原子氧环境中，并受到原子氧的刻蚀作用，因此薄膜的厚度不断变薄，导致电阻值变化。通过测量薄膜的电阻变化量，并通过事先标定的电阻变化量与原子氧通量间的关系，就可以计算出采用周期内原子氧通量平均值。目前，电阻法用到的薄膜材料主要是银和锇两种。银的原子氧反应率最高，时间分辨率高，采样周期短，实时响应性好，但是银与原子氧反应形成固态疏松的氧化银，阻挡了原子氧与下边银膜的继续反应，因此工作时间短。锇是单质金属，环境稳定性好，原子氧反应生成挥发的四氧化三锇，其原子氧反应率是线性的，锇的原子氧反应率低，适合长期暴露飞行试验研究，但是锇有一定的毒性，且锇膜不易制备，特别是锇膜较厚时容易起皮、皲裂，这也限制了锇膜探测器工作的时间。

因此，研制一种容易制备且探测原子氧时安全，耐用的探测器是非常必要的。

发明内容

针对空间原子氧探测的需求，本发明提出了一种基于电阻测量方法的原子氧探测器，即利用碳纳米管替代银或者锇等金属类薄膜。本发明利用碳纳米管的导电性，以及在原子氧作用下生成气体的性质，通过测量碳纳米管膜的电阻，推算出碳纳米管膜厚度减少量，从而推算出原子氧的注量。

本发明采用了如下的技术方案：

本发明的空间原子氧的碳纳米管探测器，包括基底、碳纳米管层、电极，其中碳纳米管层设置在基底中间，碳纳米管层的两端各镀上电极，通过测量两电极之间的电阻变化来探测空间氧原子的注量。

其中，所述基底为玻璃基底或陶瓷基底。

其中，碳纳米管层为碳纳米管纸。

其中，碳纳米管层是用导电银浆料将碳纳米管纸粘贴基底上形成的，基底大小要大于碳纳米管纸条大小。

其中，电极为金、铂金、银、铜金属材料电极。

进一步地，碳纳米管纸的尺寸为宽度从1mm至10cm，长度1cm至10cm的长条，碳纳米管纸厚度从100nm-1mm。

进一步地，碳纳米管膜的厚度为100nm-300nm。