O型圈的原子氧剝蝕效應(yīng)實驗研究

　　O型圈適用范圍的確很廣，它涉及到了各個領(lǐng)域的產(chǎn)品中的重要樣本，體積輕小，但發(fā)揮作用很多，是現(xiàn)代工行業(yè)的一種重要零部件之一。突然發(fā)現(xiàn)，有專業(yè)人員對O型圈的原子氧剝蝕效應(yīng)進行了實驗，通過對O形圈的原子氧暴露實驗研究,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過原子氧作用后，O型圈的表面粗糙度和質(zhì)量損失率均隨原子氧等效累積通量的增大而增大。

　　低地球軌道( LEO) 的空間環(huán)境主要由 N2、 O2、Ar、 He、 H 和原子氧AO( atomic oxygen) 組成，其中原子氧的含量Z高,大約占80%。原子氧不僅具有很強的氧化性，而且當(dāng)飛行器以軌道速度在LEO 中運行時，原子氧以( 7~ 8) km/ s 的相對速度撞擊材料的表面， 其撞擊材料的平均動能可達( 4~ 5) eV，這個過程會造成表面材料剝蝕( surface material erosion)及材料性能退化( material degradat ion) ，從而引起材料使用效果發(fā)生變化。對于硅橡膠材料來講，目前G內(nèi)外關(guān)于其原子氧剝蝕效應(yīng)的研究成果較少，因此有必要對其原子氧的剝蝕效應(yīng)進行研究。

　　O形圈密封由于其結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠而被廣泛使用。在航空和航天器中, 也經(jīng)常采用這種密封結(jié)構(gòu)，如飛機和載人飛船的舷窗大多使用這種結(jié)構(gòu)，空間站生物艙的艙門亦采用O形圈密封。O形圈材料一般為橡膠，由于橡膠是高分子聚合物,空間的各種環(huán)境條件特別是原子氧對其密封性能的影響不可忽視。

　　地面模擬實驗是除空間暴露實驗外應(yīng)用頗為廣泛的一種原子氧剝蝕效應(yīng)的研究方法,與空間實驗相比，其優(yōu)點是限制費用低、周期短、條件少、目前工程上大量使用的是等離子體型設(shè)備。這類設(shè)備所得到的關(guān)于原子氧材料剝蝕效應(yīng)以及數(shù)據(jù)與LEO 暴露實驗可以定性地吻合，能夠定性的了解原子氧能量、通量和環(huán)境粒子對材料性能等的影響, 為空間材料的選擇和評定提供應(yīng)用和設(shè)計依據(jù)。通過北航流體力學(xué)研究所研制的燈絲放電磁場約束型(IFM) 原子氧效應(yīng)地面模擬設(shè)備模擬空間 LEO 環(huán)境,對硅橡膠材料O形圈在原子氧作用前后的性能進行了實驗研究。

　　1、實驗設(shè)備

　　本實驗用的IFM 原子氧效應(yīng)地面模擬設(shè)備屬于目前G內(nèi)外LEO 環(huán)境原子氧效應(yīng)研究中Z為常用的等離子體型設(shè)備,所獲得的材料的剝蝕效果、氧化程度、表面形貌等都與G外的空間暴露實驗或地面模擬實驗結(jié)果基本相似。

　　IMF設(shè)備的特點是造價低、通量大、設(shè)備簡單、能量容易控制，整套設(shè)備由真空測量系統(tǒng)、真空機組系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、氧等離子裝置、粒子能量選擇與控制系統(tǒng)、樣品支撐系統(tǒng)和參數(shù)診斷系統(tǒng)組成。該設(shè)備核心部分是氧等離子體裝置，它屬于目前GJ上等離子體物理研究中發(fā)展比較迅速、應(yīng)用也較廣泛的表面約束等離子體裝置。

　　實驗設(shè)備的工作原理是：通過流量控制器控制氧氣的流入量，使真空室達到一定的工作氣壓，然后通電加熱陰G燈絲，達到適當(dāng)?shù)臏囟群鬅艚z表面開始發(fā)射電子，在陽G( 真空室壁) 和間放電電壓的作用下，被加速到足夠能量的電子與工作氣體O2分子發(fā)生碰撞, 使氧電離從而形成氧等離子，其中主要成分有：O、e、O2、O2O、等。設(shè)備是用

　　表面約束磁場提高等離子體密度,用偏壓系統(tǒng)控制和選擇氧離子能量。

　　2、 原子氧通量的測量

　　目前G內(nèi)外有關(guān)原子氧暴露的研究中，原子氧通量的準確測量這個難題還尚未根本解決，本實驗以標(biāo)準材料Kapton 為標(biāo)準，通過Kapton 的質(zhì)量損失作為模擬設(shè)備中原子氧等效累積通量的計算依據(jù)。Kapton 是在空間應(yīng)用非常廣泛的一種聚合物材料,也是空間暴露實驗以及地面模擬實驗研究的重點材料之一,它在空間原子氧的作用下剝蝕比較嚴重, 這種材料具有的基本上不隨其它條件如通量、厚度等參數(shù)的變化而變化的剝蝕率( erosion field) Ey，一般取 E y= 3. 0 @ 10- 24cm3/ atom，而且其質(zhì)量變化隨原子氧累積通量的增大基本呈線性增加, 因此,Kapton 材料的質(zhì)量損失常用來作為模擬設(shè)備中原子氧等效累積通量的計算依據(jù)以及其他材料剝蝕程度的比較標(biāo)準。本文計算原子氧等效累積通量就是通過Kapton 材料的質(zhì)量損失推算得到的：

表 1 O形圈暴露原子氧前后質(zhì)量變化情況

　　公式中： F ：等效原子氧累積通量;?M - Kapton材料的質(zhì)量損失; Q-實驗材料的密度; A -試樣的面積;t -暴露的時間; Ey -Kapton 材料的剝蝕率。

　　已知Kapton 材料的 Ey = 3. 0 ×10- 24cm3/ atom，

　　并且實驗后經(jīng)測量可以得到Kapton 材料的質(zhì)量損失?M，這樣根據(jù)實驗時間就可以計算出作用到試樣上原子氧的等效累積通量。

　　3、實驗結(jié)果及分析

　　對兩種不同批號的硅橡膠材料O形圈(硅橡膠863-3-1、 硅橡膠863 -3 -3)進行原子氧作用時間長短不同的實驗;實驗前后對樣品質(zhì)量進行了測量，稱重所使用的天平為DT-100分析天平，精度0.100005g。

　　原子氧暴露實驗時的溫度為常溫,O形圈在實驗之前先用脫脂棉蘸酒精擦拭,然后用酒精清洗,用細銅絲將O形圈固定于 IFM 原子氧效應(yīng)地面模擬設(shè)備的樣品架上。實驗結(jié)果見表1：

圖 1O形圈質(zhì)量損失率與原子氧作用時間關(guān)系曲線

　　空間LEO 環(huán)境高度范圍為200~ 600 km，在原子氧地面模擬實驗中，原子氧等效累積通量5.3×1020atoms/ cm2相當(dāng)于硅橡膠材料O形圈在空間LEO環(huán)境暴露時間在200 km 高度時為14712 h、 在 600km高度時為147222 h 的原子氧作用量。表 1 中的序號1、 2、 3 實驗的原子氧作用時間為10h，序號4、 5實驗的原子氧作用時間20 h， 序號6 實驗為序號5實驗做完后， 又進行了 10 h 的原子氧暴露，總的原子氧作用時間為30 h，作用在硅橡膠材料O形圈表面上總的原子氧等效累積累通量為 8.574 ×1020atoms/ cm2;序號4 實驗用的O形圈在做完原子氧實驗之后，立即進行了48 小時的紫外線輻射實驗。

　　從表1 可以看出，IFM 設(shè)備中產(chǎn)生的氧等離子體對硅橡膠材料O 型圈有明顯的剝蝕效果，硅橡膠材料O形圈經(jīng)過原子氧作用后質(zhì)量減小，原子氧作用時間越長其質(zhì)量損失越大, 而且硅橡膠材料O形圈的質(zhì)量越大，其質(zhì)量變化量也越大。圖1 為硅橡膠材料O 型圈質(zhì)量損失率與原子氧作用時間的關(guān)系曲線：隨著原子氧作用的時間增長，硅橡膠材料O形圈的質(zhì)量損失率增大。

圖 1O形圈質(zhì)量損失率與原子氧作用時間關(guān)系曲線

　　4 電鏡掃描分析

　　對經(jīng)過原子氧作用的O形圈進行電鏡掃描，采用北航材料科學(xué)與工程學(xué)院掃描電鏡實驗室的JSM -5800型掃描電子顯微鏡( SEM) ，加速電壓為115kV~ 210 kV, 在此電壓范圍內(nèi)既能比較清楚的觀察到試樣的表面形貌特征, 又不會對材料表面造成任何破壞。

　　圖2 為硅橡膠材料O形圈在原子氧作用之前的電子鏡掃描照片, 從照片可以看出,試樣的表面光滑、 沒有明顯的表面損傷,即使在較高放大倍數(shù)下觀察,試樣的表面除了有少部分制造缺陷及操作時不小心造成的損傷外, 沒有明顯的傷痕。

圖 2 硅橡膠材料 863 - 3 - 3新O 形圈表面狀況電子掃描照片( 80× )

　　圖3 為硅橡膠材料O形圈在原子氧作用 10 h、原子氧等效累積通量為3.274 ×1020

　　atoms/ cm2后的電子鏡掃描照片, 與圖 2 相比: 硅橡膠材料O型圈在小通量原子氧暴露后, 表面形貌特征變得略微粗糙,是原子氧對硅橡膠作用的結(jié)果。

圖 3 原子氧作用10 h 之后的O 形圈表面狀況電子掃描照片( 100× )

　　圖4為硅橡膠材料O形圈在原子氧作用2 h、原子氧等效累積通量為5.3 ×1020atoms/ cm2后的電子鏡掃描照片：表面少量的地方出現(xiàn)一些點狀的凹坑,外貌形狀較為粗糙。

圖 4 原子氧作用 20 h 之后的O 形圈表面狀況電子掃描照片( 80× )

　　圖5為硅橡膠材料O形圈在原子氧作用30 h、原子氧等效累積通量為8.574 ×1020

圖 5 原子氧作用 30 h 之后的 O 形圈表面狀況電子掃描照片( 100× )

　　atoms/ cm2后的電子鏡掃描照片:表面出現(xiàn)一點更加明顯的點狀凸坑,形貌更加粗糙, 并伴有不深的溝壑形狀, 說明原子氧作用非常明顯。

　　圖6 為硅橡材料O形圈原子氧作用20 h、 原子氧等效累積通量為5.3 ×1020atoms/ cm2以及紫外線輻射48 h 后的電子鏡掃描照片:表面不但有明顯的粗糙形狀,而且有較多的點狀凸坑,說明紫外輻射和原子氧作用的綜合作用對硅橡膠材料O形圈表面的影響更加顯著。

　　圖 6 原子氧與紫外線輻射之后的O 型圈表面狀況電子掃描照片( 100×)

　　5 、結(jié)論

　　對硅橡膠材料O型圈的原子氧暴露實驗研究：

　　(1)原子氧和紫外線輻射的綜合作用對硅橡膠材料O形圈性能影響比原子氧單獨作用更加明顯。

　　(2) 作用到硅橡膠材料O形圈表面上的原子氧等效累積通量越大,硅橡膠材料O 型圈的質(zhì)量損失率就越大。

　　(3)硅橡膠材料O 型圈在 IFM 地面模擬設(shè)備的實驗出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象,表面形貌特征發(fā)生了明顯的變化。

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