真空环境下材料与月尘之间粘附力的测试方法技术

本发明专利技术提供了一种真空环境下材料与模拟月尘之间粘附力的测试方法，其包括如下步骤：模拟月尘的准备；模拟月尘探针的制备；材料试样的准备；粘附力的测试。与现有技术相比，本发明专利技术具有如下的有益效果：可以进一步掌握月尘的吸解附原理，实现月球车裸露在外结构件表面的防月尘粘附；为防月尘粘附膜层的制备提供了重要的理论依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种真空环境下材料与月尘之间粘附力的测试方法，属于材料性能测试领域。
技术介绍
人类探月具有非常重大的意义，美国、日本、欧空局、俄罗斯和印度等国家纷纷制定了探月计划，我国也正在实施探月工程，月球车是探月工程的重要组成部分，是在月球探测起步阶段研究月球不可缺少的重要研究媒介，也是宇航员在月球登陆的先行者。但月球车在月面的着陆和工作必须面对月球的特殊环境所带来的挑战，其中之一就是月尘的存在。月尘是月球表面是厚厚一层由于长期的环境作用而形成的微小粒子，平均直径30～150μm。在月球低重力和近真空的条件下，这些细小微粒很容易被自然或者人为扰动而悬浮在空中。由于月球的低重力和近乎真空的条件，细小的月尘很容易被自然或人为活动扰动而悬浮在空中，月尘颗粒有较高的比表面积和绝缘性，很容易粘着和堆积到各种接触到的装置上，将导致机构密封失效、堵塞、材料磨损和热控制失效等诸多问题。根据阿波罗飞船的飞行记录，表明月球表面的月壤和月尘会严重影响月面探测器热控系统的使用功能，在辐射器等表面附着的一层绝缘的月尘会影响正常的热量交换。为了确保月球巡视器能可靠地工作，开展对月面外露部件表面防尘膜层相关技术的研究势在必行。细小的月尘具有较高的比表面积和绝缘性，很容易粘着堆积到各种接触到的装置上，给探月带来诸多困难。掌握月尘的吸解附原理，实现月球车裸露在外结构件表面的防月尘粘附是探月工程首先要解决的重大科学课题。研究月尘与材料直接的粘附力是实现防月尘粘附膜层制备的关键，目前，国内外尚未见到测试月尘与材料之间粘附力的方法报道。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种真空环境下材料与月尘之间粘附力的测试方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种真空环境下材料与月尘之间粘附力的测试方法，其包括如下步骤：月尘的准备；月尘探针的制备；材料试样的准备；粘附力的测试。作为优选方案，所述月尘的准备具体包括如下操作：模拟月尘于培养皿中均匀摊开，并在烘箱中烘干，保存备用。作为优选方案，所述月尘探针的制备具体包括如下操作：S1：将已知弹性系数的原子力显微镜探针安装在探针夹上，然后把所述探针夹固定在几个XYZR轴微调平台上；S2：将所测的月尘颗粒铺散在一块玻璃片上，使月尘各颗粒之间分离不接触；S3：另取一块玻璃片，将粘合剂蘸在玻璃片空白处；S4：将S3中玻璃片置于另一个XYZR轴微调平台上，并使胶水微滴位于探针微悬臂的正下方位置，在原子力显微镜下观察悬臂与胶滴的相对高度，调节Z轴使悬臂与胶滴靠近，直至探针悬臂的尖端底面沾到胶滴；S5：移开铺胶滴的玻璃片，换上铺散月尘的玻璃片，原子力显微镜下观察并选取月尘颗粒，调节悬臂与月尘颗粒相对高度，利用胶滴的粘性在悬臂尖端粘上单颗月尘，探针静置使胶水固化成型后，进行固化，得到所述月尘探针。作为优选方案，所述材料试样的准备具体包括如下操作：将材料试样先用乙醇超声清洗30min，再去离子水超声清洗30min，烘干，待用。作为优选方案，所述烘干的温度为120℃。作为优选方案，所述粘附力的测试具体包括如下步骤：启动原子力显微镜，抽真空至5.0×10-4Pa以下，将原料试样置于样品台上，并将月尘探针安装在探针夹上，安装好探针夹、激光头装置；测定粘附力曲线；测定粘附力曲线数据，对数值进行统计，以平均值及标准偏差作为测试结果，即得月尘与材料表面之间的粘附力。本专利技术的原理在于：利用原子力显微镜测得月尘颗粒与表面之间的作用力。在扫描过程中，微探针悬臂的法向形变反映引力或斥力，横向形变大小可以反应摩擦力的大小。测试可得到反映颗粒与表面间作用力与基面位移Z的关系曲线。当颗粒与材料表面距离较远时，作用力F为0；随着二者逐渐靠近，其吸引力会增大(F负值减小)，当靠近到一定程度时，F关于颗粒-材料表面间距的梯度等于弹性系数k时，颗粒突然跳至与基面接触状态(称为突然接触)；随后，基面与针尖一同向微悬臂固定位置的方向移动，悬臂弯曲偏移量减小，测得的吸引力也在减小，再次到达零力线；基面继续往上移动，微悬臂将向上弯曲，F值变正，针尖会嵌入基面内部。当基面撤离时，F值逐渐减小，二者会保持接触直至F达到某一临界值时突然跳离(称为突然跳离F2<kX2)，此时的F即为粘附力Fadh。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、可以进一步掌握月尘的吸解附原理，实现月球车裸露在外结构件表面的防月尘粘附；2、为防月尘粘附膜层的制备提供了重要的理论依据。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为颗粒-表面作用力与基面位移曲线；图2为40μm粒径的单粒月尘在不同温度下与铝合金阳极氧化膜层的粘附力。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术中所用的模拟月尘由北京卫星环境工程研究所制备。本专利技术提供的一种真空环境下材料与月尘之间粘附力的测试方法，具体包括如下步骤：一、模拟月尘的准备：将模拟月尘于培养皿中均匀摊开，并在烘箱中烘干，保存备用；二、模拟月尘探针的制备：S1：将已知弹性系数的原子力显微镜探针安装在探针夹上，然后把所述探针夹固定在几个XYZR轴微调平台中较高的一个上，调整所述原子力显微镜至合适的放大倍数；S2：将所测的模拟月尘颗粒铺散在一块玻璃片上，使模拟月尘各颗粒之间分离不接触；S3：另取一块玻璃片，将粘合剂按1:1比例调匀，取尽量小的胶滴蘸在玻璃片空白处；S4：将S3中玻璃片置于另一个XYZR轴微调平台上，并使胶水微滴位于探针微悬臂的正下方位置，在原子力显微镜下观察悬臂与胶滴的相对高度，调节Z轴使悬臂与胶滴靠近，直至探针悬臂的尖端底面沾到胶滴；S5：移开铺胶滴的玻璃片，换上铺散月尘的玻璃片，原子力显微镜下观察并选取合适的月尘颗粒，调节悬臂与月尘颗粒相对高度，利用胶滴的粘性在悬臂尖端粘上单颗月尘，探针静置使胶水固化成型后，进行固化，得到所述月尘探针。三、材料试样的准备：将材料试样先用乙醇超声清洗30min，再去离子水超声清洗30min，120℃下烘干，待用。四、粘附力的测试：启动原子力显微镜，抽真空至5.0×10-4Pa以下，将原料试样置于样品台上，并将模拟月尘探针安装在探针夹上，安装好探针夹、激光头等装置；测定粘附力曲线；选择不同的位置测定粘附力曲线数据，对数值进行统计，以平均值及标准偏差作为测试结果，即得月尘与材料表面之间的粘附力。本专利技术的原理在于：如图1所示，利用原子力显微镜测得模拟月尘颗粒与表面之间的作用力。在扫描过程中，微探针悬臂的法向形变反映引力或斥力，横向形变大小可以反应摩擦力的大小。测试可得到反映颗粒与表面间作用力与基面位移Z的关系曲线。当颗粒与材料表面距离较远时，作用力F为0；随着二者逐渐靠近，其吸引力会增大(F负值减小)，当靠近到一定程度时，F关于颗粒-材料表面间距的梯度等于弹性系数k时，颗粒突然跳至与基面接触状态(称为突然接触)；随后，基面与针尖一同向微悬臂固定位置的方向移动，悬臂弯曲偏移量减小，测得的吸引力也在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种真空环境下材料与月尘之间粘附力的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：模拟月尘的准备；模拟月尘探针的制备；材料试样的准备；粘附力的测试。

【技术特征摘要】
1.一种真空环境下材料与月尘之间粘附力的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：模拟月尘的准备；模拟月尘探针的制备；材料试样的准备；粘附力的测试。2.如权利要求1所述的真空环境下材料与月尘之间粘附力的测试方法，其特征在于，所述月尘的准备具体包括如下操作：模拟月尘于培养皿中均匀摊开，并在烘箱中烘干，保存备用。3.如权利要求1所述的真空环境下材料与月尘之间粘附力的测试方法，其特征在于，所述月尘探针的制备具体包括如下操作：S1：将已知弹性系数的原子力显微镜探针安装在探针夹上，然后把所述探针夹固定在XYZR轴微调平台上；S2：将所测的模拟月尘颗粒铺散在一块玻璃片上，使月尘各颗粒之间分离不接触；S3：另取一块玻璃片，将粘合剂蘸在玻璃片空白处；S4：将S3中玻璃片置于另一个XYZR轴微调平台上，并使胶水微滴位于探针微悬臂的正下方位置，在原子力显微镜下观察悬臂与胶滴的相对高度，调节Z轴使悬臂与胶滴靠近，直至探针悬臂的尖端底面沾到胶滴；S5：移开铺胶...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏培博，鞠鹏飞，王庆军，郭立杰，董文文，蒋协强，
申请(专利权)人：上海航天设备制造总厂，南京大学，
类型：发明
国别省市：上海;31