姜海富，李勝剛，田修波，柴麗華，秦瑋，張永泰

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.中國(guó)石油天然氣管道局 東南亞項(xiàng)目經(jīng)理部，河北 廊坊 065000；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院 現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；4.北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京 100124）

在距地球表面200～700 km的低地球軌道（low earth orbit，LEO），殘余氣體基本上由80%的原子氧（atomic oxygen，AO）和20%的N2組成。當(dāng)航天器以7～8 km/s的速度在軌運(yùn)行時(shí)，原子氧以相對(duì)較高的通量（1012～1015/（cm2·s））和5 eV左右的動(dòng)能與其表面碰撞，足以對(duì)航天器表面材料產(chǎn)生巨大的影響[1—3]。

金屬材料在航天器上有著廣泛的應(yīng)用，包括鋁、銅、金、鎂、銀等純金屬材料以及大量的金屬合金材料。由于空間原子氧具有極高的活性，能與航天器上的金屬材料發(fā)生反應(yīng)，使金屬材料的表面性能發(fā)生變化，從而影響航天器的在軌服役壽命[4—6]，因此開(kāi)展金屬材料空間原子氧效應(yīng)研究具有重要意義。文中以金屬銅為例，利用射頻源原子氧進(jìn)行輻照試驗(yàn)，研究了原子氧輻照試驗(yàn)前后金屬銅性能的改變。

1 試驗(yàn)方法

原子氧輻照試驗(yàn)在射頻源原子氧地面模擬設(shè)備上進(jìn)行，該設(shè)備由射頻發(fā)生系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)等組成，詳細(xì)工作原理參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。具體試驗(yàn)參數(shù)：原子氧的通量為2.5×1016/（cm2·s），輻照時(shí)間為0，60，180，300 min。

試驗(yàn)材料為純銅，尺寸為40 mm×30 mm的長(zhǎng)方形樣品。在原子氧輻照試驗(yàn)前，所有樣品在無(wú)水乙醇中超聲清洗20 min，以去除樣品表面污染物，然后進(jìn)行初始性能測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

原子氧輻照前后銅樣品表面形貌變化如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，原子氧輻照前銅樣品表面不平整，存在溝壑及劃痕現(xiàn)象。原子氧輻照后，樣品表面變得更為粗糙，出現(xiàn)了臺(tái)階狀的凸起。隨著輻照時(shí)間的增加，樣品表面層出現(xiàn)輕微脫落，300 min輻照的樣品脫落層相對(duì)較多。研究結(jié)果表明，金屬銅與高活性原子氧反應(yīng)后生成氧化銅（CuO）和氧化亞銅（Cu2O）。CuO和Cu2O在原子氧的繼續(xù)撞擊作用下，可以從銅樣品表面脫落[8—9]。

圖1 原子氧輻照前后Cu表面的形貌變化Fig.1 Surface morphology variation of Cu before and after AO irradiation

2.2 表面成分

對(duì)原子氧輻照前和輻照300 min后的銅樣品進(jìn)行了能譜分析。輻照前銅表面各成分含量（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）為：O 1.79%，Cu 98.21%；輻照后銅表面各成分含量為：O 2.75%，Cu 94.99%，F(xiàn)e 1.05%，Ni 1.21%。輻照前后銅的表面能譜如圖2所示?？梢钥闯?，輻照前銅樣品表面只有Cu和O兩種元素，且O的含量極少。輻照后樣品表面Cu元素含量降低，O元素含量增加。這主要是由于銅與原子氧反應(yīng)生成銅的氧化物CuO和Cu2O造成的[10]。此外，輻照后樣品表面又發(fā)現(xiàn)了Fe和Ni元素，可能是由于在輻照過(guò)程中原子氧束對(duì)不銹鋼材質(zhì)的真空室以及夾具等的濺射污染造成的。

2.3 質(zhì)量損失

許多金屬材料在原子氧環(huán)境中都會(huì)產(chǎn)生氧化作用，生成相應(yīng)的金屬氧化物，從而使樣品的質(zhì)量在理論上有所增加。由于生成的氧化物膜一般具有較大的內(nèi)應(yīng)力，在原子氧的沖擊、碰撞、剝蝕等作用下會(huì)發(fā)生脫落，從而造成其實(shí)際質(zhì)量的損失[11—12]。經(jīng)不同時(shí)間原子氧輻照后金屬銅的質(zhì)量變化如圖3所示。

圖2 輻照前后銅表面的能譜Fig.2 Surface energy spectra of Cu before and after AO irradiation

圖3 原子氧輻照前后Cu的質(zhì)量變化Fig.3 Mass change of Cu before and after AO irradiation

由圖3可知，隨原子氧輻照時(shí)間的增加，樣品質(zhì)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。雖然300 min輻照樣品表面出現(xiàn)了氧化物脫落現(xiàn)象，但樣品質(zhì)量沒(méi)有減少，反而增加了0.035 mg。更長(zhǎng)時(shí)間的輻照試驗(yàn)可能會(huì)導(dǎo)致銅樣品質(zhì)量的降低。

2.4 光學(xué)性能的變化

不同時(shí)間原子氧輻照前后金屬銅的反射光譜如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)不同時(shí)間原子氧輻照后，銅的反射光譜發(fā)生了不同程度的變化。在200～600 nm波段，300 min輻照樣品光譜反射系數(shù)下降較大，其余樣品變化較??；在600～1500 nm波段，樣品光譜反射系數(shù)隨輻照時(shí)間的增加逐漸下降。不同時(shí)間原子氧輻照前后太陽(yáng)吸收比如圖5所示?？梢钥闯?，經(jīng)原子氧輻照后銅的太陽(yáng)吸收比升高，且在原子氧輻照初期變化比較緩慢。隨原子氧輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，太陽(yáng)吸收比退化速率增加，300 min輻照樣品太陽(yáng)吸收比增加了0.07。

圖4 原子氧輻照前后Cu的反射光譜Fig.4 The reflectance spectra of Cu before and after AO irradiation

圖5 原子氧輻照前后Cu的太陽(yáng)吸收比Fig.5 Solar absorption ratios of Cu before and after AO irradiation

美國(guó)航天飛機(jī)STS-46在飛行任務(wù)中進(jìn)行的EIOM-3材料試驗(yàn)證實(shí)了銅在空間原子氧作用下，光學(xué)性能退化較為明顯，光譜反射系數(shù)降低，而太陽(yáng)吸收比變大[8]。李中華等[13]的研究結(jié)果也證實(shí)了這一現(xiàn)象。說(shuō)明原子氧對(duì)銅的光學(xué)性能具有一定的破壞作用，這會(huì)影響銅零件的空間使用性能。

2.5 接觸角的變化

接觸角能直接反應(yīng)出材料表面狀態(tài)和表面自由能的大小，不同材料表面的接觸角也不盡相同，原子氧輻照前后銅的水接觸角變化如圖6所示。經(jīng)原子氧輻照后，銅表面的接觸角總體呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，說(shuō)明經(jīng)原子氧輻照后銅表面的自由能降低，疏水性能提高。經(jīng)分析認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的主要原因是銅與原子氧作用生成了CuO，而CuO較Cu具有較高的疏水性[14—15]，從而造成樣品表面接觸角增大。

圖6 原子氧輻照前后Cu接觸角的變化Fig.6 Variation in contact angle of Cu before and after AO irradiation

2.6 摩擦磨損性能的變化

摩擦磨損性能可以通過(guò)摩擦系數(shù)來(lái)進(jìn)行定性的表征，原子氧輻照前后銅的摩擦系數(shù)如圖7所示?？梢钥闯?，未經(jīng)原子氧輻照的銅摩擦系數(shù)較低，且比較穩(wěn)定。經(jīng)原子氧輻照后銅的摩擦系數(shù)均有不同程度的升高，原子氧輻照60 min的樣品摩擦系數(shù)最高。經(jīng)原子氧輻照后的樣品在摩擦磨損初期（100 s前），摩擦系數(shù)迅速上升，在約100 s后摩擦系數(shù)逐漸下降并趨于穩(wěn)定。原子氧輻照后樣品表面生成的銅氧化物與摩擦磨損性能密切相關(guān)。研究結(jié)果表明，銅的耐磨性能較好，氧化銅次之，而氧化亞銅最差[16]。原子氧輻照后，樣品表面生成了一定厚度的氧化膜，而氧化膜的耐磨性能較差，所以原子氧輻照后的樣品表面耐磨性能變差。上述研究結(jié)果表明，金屬銅在空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件中使用時(shí)需要避免暴露于原子氧環(huán)境中。

圖7 原子氧輻照前后Cu的摩擦系數(shù)Fig.7 Friction coefficient of Cu before and after AO irradiation

3 結(jié)論

1）金屬銅原子氧輻照試驗(yàn)后，表面生成了金屬氧化物。雖然原子氧輻照時(shí)間為300 min的樣品表面出現(xiàn)了氧化物脫落現(xiàn)象，但試驗(yàn)后樣品質(zhì)量仍增加了0.035 mg。

2）原子氧輻照導(dǎo)致金屬銅光譜反射系數(shù)降低，太陽(yáng)吸收比增加。隨原子氧輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，太陽(yáng)吸收比退化速率變快。

3）原子氧輻照后，金屬銅表面接觸角增大，疏水性能提高。

4）原子氧輻照使金屬銅的耐磨性能下降，表明金屬銅在空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件的使用中需要避免暴露于原子氧環(huán)境。

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