空间环境对原子氧侵蚀效应及防护措施

一、原子氧

       距离地面200～700km的低地球轨道空间，是宇宙飞船、对地观测卫星、气象卫星和空间站等航天器其的主要运行区域。原子氧是指低地球轨道上以原子态氧存在的残余气体环境，是由太阳光中紫外光线与氧分子相互作用并使其分解而形成的。原子氧与航天器发生相互作用可以引起航天器结构材料的剥蚀老化，损害航天器热控涂层严重危害航天器的可靠运行。

       航天器在低地球轨道中运行时将受到原子氧、紫外辐射、粒子辐射、高真空、等离子体、热循环以及微流星体与空间碎片等的影响。美国航空航天局的飞行试验、长期暴露试验平台、有限期选择性暴露试验，前苏联的“和平号”空间站搭载试验以及大量的先期研究结果，使学者对材料暴露在低地球轨道空间环境中的影响有了基本的了解。虽然原子氧在低地球轨道空间中的密度很低，能量仅为0.1eV，却是导致材料失效的主要原因。

二、原子氧效应

      原子氧效应主要是指其与航天器材料表面发生反应，使其氧化形成氧化物;同时导致材料表面形貌发生变化，放气速度加快，质量损失率增加，机械强度下降，光学和电性能改变等。此外，原子氧与材料作用产生的挥发性气体及非附着性氧化物，会使航天器受到污染，给光学系统、温控涂层等部件和材料的热性能、光性能带来严重的影响(如涂层太阳吸收率变化，电池的电源输出减小等)的。

      这种原子氧效应会引起航天器表面结构材料、温控材料、太阳电池及其联接件的质量损失，会产生化学反应，引起航天器表面材料变质、污染光学遥感器镜面。当航天器长期处于这样一个具有足够动能、高通量的原子氧气层中时，会直接影响航天器的各主要技术分系统的性能、质量和在轨使用寿命。

五、石墨烯在抗空间原子氧剥蚀方面的应用

      石墨烯可以作为添加剂改善基体材料的抗原子氧剥蚀性[4]：

      第一，石墨烯具有优异的抗气体渗透性，二维结构的石墨烯均匀分散于基体中可以有效阻挡气体尤其是原子氧的透过，增强复合材料的抗渗透性；

      第二，石墨烯与原子氧反应后没有损失掉，而是在材料表面形成了一层保护膜，使膜下的基体材料不会被继续侵蚀，从而阻碍原子氧进一步和基体材料反应。

我们的服务

    在北京航空航天新材料技术成果对接会上，我们了解到在航空航天领域对空间环境下原子氧防护材料的应用需求。

    针对需求方提出关于空间原子氧剥蚀的应用背景和材料的指标要求，借助北京市航空航天新材料集群资源优势，我们充分发挥创新资源，利用专家库和成果库，精准挖掘高校、科研院所现有的科研技术成果。

    未来，我们将组织高校、科研院所与需求方进行“产学研”深度对接，通过协同创新，共同解决在空间环境原子氧剥蚀方面的防护问题及材料应用问题，并且深度探讨双方合作与发展模式。

本文作者：王丹丹，中科评信信息技术研究院技术总监

参考：

1. T. R. Dargaville,J. M. Elliott & M. Celina. Evaluation of Piezoelectric Pvdf Polymers for Use in Space Environments. III. Comparison of the Effects of Vacuum Uv and Gamma Radiation[J].Polym.Sci. Pt. B-Polym. Phys. 2006,(44): 3253~3264.