[科普中國(guó)]-原子氧

簡(jiǎn)介

原子氧是指低地球軌道（通常認(rèn)為200km~700km高度）上以原子態(tài)氧存在的殘余氣體環(huán)境。在這個(gè)軌道高度上，氣體總壓力為10～10Pa，環(huán)境組分有N2、O2、Ar、He、H及O等，相應(yīng)的粒子密度約為106～109cm-3。原子氧在殘余大體中占主要成分。

原子氧的濃度原子氧是太陽(yáng)光中紫外光線與氧分子相互作用并使其分解而形成的。原子氧與航天器發(fā)生相互作用可以引起航天器結(jié)構(gòu)材料的剝蝕老化，損害航天器熱控涂層嚴(yán)重危害航天器的可靠運(yùn)行。

載人航天器的運(yùn)行軌道處于低地球軌道（LowEarthOrbit，LEO，200-600km）。這一區(qū)域氣體壓力為10-10大氣壓，組成主要有N2、O2、Ar、He、H2及高活性的原子氧（AtomicOxygen，AO）等，其中AO約為80%。作為L(zhǎng)EO環(huán)境中含量最高的粒子，原子氧是氧分子在太陽(yáng)輻射的光致分解作用下形成的。由于兩個(gè)游離態(tài)的原子氧再?gòu)?fù)合形成一個(gè)氧分子，需要有第三種粒子的參與，以帶走復(fù)合時(shí)釋放的能量，而在LEO環(huán)境中，總壓很低，處于高真空狀態(tài)，原子氧與第三種粒子發(fā)生碰撞的幾率很小，原子氧復(fù)合的概率就很小，因此LEO環(huán)境中原子氧的濃度比較高。此外，原子氧的濃度還會(huì)受到太陽(yáng)活動(dòng)周期、地球磁場(chǎng)強(qiáng)度、軌道高度、季節(jié)和晝夜等因素的影響。

原子氧對(duì)航天器的侵蝕效應(yīng)及損傷機(jī)理大量空間飛行實(shí)驗(yàn)及地面模擬試驗(yàn)的結(jié)果表明，原子氧對(duì)航天器表面的高溫氧化、高速撞擊會(huì)使大部分有機(jī)材料受到嚴(yán)重侵蝕，產(chǎn)生質(zhì)量損失、厚度損失，光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及機(jī)械參數(shù)退化，造成結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度下降、功能材料性能變壞；原子氧氧化侵蝕過(guò)程還會(huì)造成航天器敏感表面的污染。以上效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致航天器性能下降、壽命縮短、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)失敗，對(duì)航天器長(zhǎng)壽命、高可靠帶來(lái)嚴(yán)重威脅1。

大部分聚合物材料對(duì)原子氧環(huán)境敏感。不同聚合物材料的原子氧反應(yīng)率與其結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系：大分子和高芳香族結(jié)構(gòu)的聚合物反應(yīng)慢，高分子和乙醚結(jié)構(gòu)的聚合物反應(yīng)快，氟化聚合物的反應(yīng)率低。

含有C、H、O、N、S的聚合物材料與原子氧相互作用后，其分子鍵斷裂，生成CO、CO2、水蒸氣等氣相揮發(fā)物，造成材料質(zhì)量、厚度損失，物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。這些聚合物材料的原子氧反應(yīng)率大致相同，在2×10-24～4×10-24cm3/AO左右。

原子氧撞擊材料表面時(shí)會(huì)發(fā)生多種物理化學(xué)過(guò)程，但對(duì)不同材料起決定作用的過(guò)程不同，造成原子氧侵蝕機(jī)理也不同。原子氧與聚合物的最基本的反應(yīng)機(jī)理如下：

a.提取——AO從聚合物分子中拉出一個(gè)H原子或C原子；

b.添加——AO化合進(jìn)入聚合物單體分子中；

c.置換——AO從聚合物中拉出一個(gè)原子的同時(shí)立即化合進(jìn)去；

d.析出——AO作用下，分子析出未成對(duì)電子的H原子；

e.嵌入——AO射入兩個(gè)相鄰的原子（如C、H）之間2。

原子氧效應(yīng)防護(hù)途徑原子氧防護(hù)技術(shù)研究主要集中在研究抗原子氧侵蝕新材料及防原子氧涂層兩方面。

（1）抗原子氧材料

研究表明，聚合物經(jīng)過(guò)氟化處理、添加Si成分可以提高抗原子氧侵蝕的能力，例如：純氟化聚苯乙烯、環(huán)狀氟化聚苯乙烯、鏈狀氟化聚苯乙烯、過(guò)氟化聚苯乙烯等氟化聚合物，聚硅氧烷-聚酰亞胺等。

（2）原子氧防護(hù)涂層

研究表明大部分金屬氧化物涂層都具有一定的原子氧防護(hù)能力，以SiO2、Al2O3性能最好，是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最普遍的防護(hù)涂層。一種使用有效的防護(hù)涂層必須經(jīng)得起極惡劣的空間環(huán)境的考驗(yàn)，還要完全滿足航天器設(shè)計(jì)的苛刻要求。其主要性能必須滿足以下條件：

a.能長(zhǎng)期抵抗原子氧高溫氧化、高速碰撞產(chǎn)生的侵蝕；

b.柔韌，耐磨蝕；

c.抗紫外輻照及其他空間環(huán)境的損傷退化，而且不改變基底材料的光學(xué)和熱學(xué)性能；

d.質(zhì)地輕薄，附著力強(qiáng)；

e.航天器設(shè)計(jì)的其他特殊要求。

原子氧對(duì)金屬銅的作用低地球軌道的原子氧化學(xué)性能非常活潑，能使金屬銅氧化。XRD（X射線衍射）、XPS（X射線光電子譜）分析結(jié)果表明：原子氧作用后，銅的表面生成了氧化銅和氧化亞銅，從而使銅的導(dǎo)電性能、光學(xué)性能、焊接性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。銅與原子氧的氧化反應(yīng)與溫度有關(guān)，隨著反應(yīng)溫度的增加，反應(yīng)更加容易。地面試驗(yàn)結(jié)果表明：生成的氧化銅或氧化亞銅在原子氧撞擊作用下，從試樣表面脫落，并沉積到其他試樣的表面，從而對(duì)其他表面產(chǎn)生較為嚴(yán)重的污染。該結(jié)果可為在軌航天器污染控制提供參考3。