聚酰亚胺表面涂层环境效应及抗原子氧性能研究

发布时间：2020-04-28 01:55

【摘要】：在低地球轨道(LEO)环境中,航天器的运行要经历复杂多变的空间环境考验,其材料要经受空间原子氧(AO)、紫外辐射等多方面因素的破坏作用,尤其是具有强氧化性、高通量等特性的原子氧作用于航天器表面时,会导致航天器材料发生光学、化学和机械性能上的退化,从而影响航天器的正常运行。此外,航天器所经历的环境不仅包括在轨运行、发射返回过程中所经历的空间环境,还包括航天器在储运过程中的阳光辐照、温度及湿度变化等地面环境因素。针对上述问题,本文重点开展原子氧防护涂层以及涂层与基体界面效应的研究。采用碱液水热处理与硅烷偶联剂溶剂热处理的方式对聚酰亚胺进行表面处理,利用环境效应试验评价SiO_2涂层与聚酰亚胺基体的界面结合状况,探究涂层失效原因并改进制备方法,采用化学键合的方法成功在聚酰亚胺表面制备出SiO_2原子氧防护涂层。主要研究内容如下:(1)聚酰亚胺(PI)表面碱处理方法研究:采用NaOH溶液,在一定温度下对PI基材进行水热处理,研究了不同浓度的NaOH溶液、不同温度以及不同水热时间对PI基材的改性效果的影响。结果表明:最佳碱液水热处理条件为0.1mol/L NaOH溶液在120℃下处理1h。(2)聚酰亚胺及其涂层环境效应评价:采用不同表面改性方法对PI进行处理后,用溶胶凝胶法镀膜。研究温度、湿度、紫外辐照和原子氧等环境因素对聚酰亚胺基体及涂层的侵蚀效应。结果表明:采用碱液水热和硅烷偶联剂溶剂热综合处理的表面改性方法,能在一定程度上提高涂层耐环境因素影响的能力。在PI上涂覆SiO_2涂层能很好的防护原子氧侵蚀、紫外线辐照,且涂层可耐温度变化,但环境湿度对基体及SiO_2涂层粘附力的影响不容忽视。(3)涂层失效原因探究:在碱处理的基础上,采用三种硅烷偶联剂分别对PI进行溶剂热处理,通过漂洗、环境效应试验对比不同硅烷偶联剂改性效果,探究涂层失效原因。结果表明采用硅烷偶联剂处理后,PI表面会生成偶联剂改性层,而该改性层经环境效应试验后产生开裂、脱落等现象;硅烷偶联剂改性层与基体的结合情况直接影响后续涂层的防护效果,是造成下一步涂层脱落的主要原因。(4)化学键合制备涂层方法研究:通过对硅烷偶联剂改性PI的溶剂选取、制备条件改进等方法,强化SiO_2溶胶与改性后PI表面的结合强度,产生化学键合。结果表明:采用化学键合法成功在PI表面制备Si O_2涂层,酸催化溶胶制备的涂层具有褶皱形貌;酸、碱催化溶胶制备出的涂层整体外观较为平整,涂层表面没有明显的褶皱或者颗粒堆积形貌,涂层分布均匀。(5)化学键合法在抗环境效应及原子氧侵蚀中的应用:利用化学键合法在PI表面制备出一类特殊的褶皱结构涂层。通过水汽试验、弯曲试验、温度交变试验、原子氧辐照试验对样品进行测试。结果表明,化学键合法制备的褶皱涂层样品在经过上千次弯曲试验甚至折叠试验之后,涂层没有发生开裂情况;温度交变试验中涂层经历数次热胀冷缩也没有产生开裂情况;制备出的涂层在原子氧辐照试验中也表现出了良好的抗原子氧侵蚀的能力。
【图文】：

原子氧,侵蚀机理

图 1-1 原子氧对材料的侵蚀机理Fig.1-1 Corrosion mechanism of atomic oxygen on materials原子氧对于航天材料的破坏作用不容忽视，各国研究学者对原子氧侵蚀作用机理进行了深入研究[33-38]。如图 1-1 所示，氧分子在一定波长的太阳紫外线照射下，，分解成原子氧。原子氧与聚合物材料表面高速碰撞、氧化使材料表面被侵蚀，释放出 CO 等小分子气体，与金属会发生氧化反应会形成氧化层，其中银等金属形成的氧化层疏松易脱落，但是铝、硅等形成的无机氧化层厚且致密，致密氧化层包覆在材料表面能够阻挡原子氧进一步侵蚀，这也为后来发展原子氧“自修复”防护技术提供了思路。1.2 抗原子氧聚酰亚胺研究进展聚酰亚胺（Polyimide, PI）是一类具有酰亚胺芳杂环的聚合物，其结构式如图 1-1

SEM图,原子氧,航天器,热防护材料

OO图 1-2 PI 的结构式Fig.1-2 Structure of PI由于 PI 薄膜具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、力学性能优异、尺寸稳定性好电常数低、热膨胀系数低等优异性能[39-44]，被广泛用作航天器中热防护材料、能电池以及太阳帆等展开结构的基础薄膜[45-48]。PI 材料本身具备一定耐原子氧的能力，但是随着长寿命航天器的发展，对 PI 性能要求越来越高。PI 薄膜表面光滑，呈半透明浅棕色。长时间暴露在 AO 环境中，受 AO 侵蚀后，PI 表面变糙，透明度降低，扫描电子显微镜下观察 PI 表面形貌呈“地毯状”，如图 1-3（受 AO 侵蚀后的 PI 不仅表面变粗糙，还会产生光学性能下降，质量、厚度损失学及热学性能明显退化等问题。多年来，各国科研工作者通过对 PI 进行多次在验及大量地面原子氧模拟试验，提供了大量有价值的数据。
【学位授予单位】：烟台大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V255

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