一种耐原子氧聚合物膜层材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐原子氧聚合物膜层材料及其制备方法，属于航空航天材料技术领域。所述膜层材料为五层复合结构，基体层为聚合物薄膜，中间过渡层依次为连接层、阻氧层和活性金属层，表层为阻氧层；其中，连接层为利用射频磁控溅射沉积的SiO

【技术实现步骤摘要】
一种耐原子氧聚合物膜层材料及其制备方法
本专利技术属于航空航天材料
，公开了一种耐原子氧聚合物膜层材料，并涉及所述耐原子氧聚合物膜层材料的制备方法，即一种聚合物表面制备抗原子氧侵蚀涂层的方法，更具体地，提供一种聚酰亚胺表面制备抗原子氧侵蚀涂层的方法。
技术介绍
用于近地轨道(200～800km高度)飞行的航天器上的材料常常暴露在原子氧环境当中，将会受到流量为1×1013～1×1015atoms/(cm2·s)的氧原子的冲击，原子氧撞击航天器表面的能量在4.5eV左右。空间材料暴露在原子氧环境下，多数都会产生质损、厚度损失，引起热学、光学、机械、表面形貌等诸多参数的变化，结果导致材料性能的损伤原子氧与材料反应形成氧化物，它可能从表面材料中挥发出来，造成放气或可凝物的释出。例如，碳、锇受到原子氧作用时会“消失”，因为碳和金属锇具有较大的原子氧剥蚀速度，碳的氧化物和氧化锇极易挥发。银涂层将与原子氧相互作用生成氧化物并随即脱落，露出的新鲜表面则又将被原子氧剥蚀，结果造成较严重的质损。而活泼金属以及无机聚合物如硅与原子氧作用形成的氧化物附着在基底上，造成材料增重。目前，虽然聚合物材料及聚合物基复合材料，如聚酰亚胺(PI)因其具有比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好耐腐蚀、质量轻、性能稳定、热膨胀系数低、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型等优点，在航空、航天应用中很受欢迎，已广泛用作太阳能电池阵列的柔性基层、多层热绝缘毯、电路系统的绝缘保护层等；但因其暴露在原子氧环境中时，聚酰亚胺的表面会很快发生反应和质量损失，其热学、光学和力学性能变差，会极大地影响航天器的正常运行；而且高能量的原子氧甚至会使飞行器上聚合物材料产生剥蚀，对航天器造成二次污染、损坏。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种耐原子氧聚合物膜层材料及其制备方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种耐原子氧聚合物膜层材料，其所述膜层材料为五层复合结构，基体层为聚合物薄膜，中间过渡层依次为连接层、阻氧层和活性金属层，表层为阻氧层；其中，所述连接层为利用射频磁控溅射沉积的SiO2层；所述阻氧层为利用电子束蒸发技术制备的氧化铝或氧化锆层；所述活性金属层为利用磁过滤沉积的Mg、Al或Zn层。值得说明的是，LEO轨道上对复合材料外层一般单一使用磁控溅射，喷镀以及胶粘合等方法在其表面覆盖上一层抗原子氧的涂层来实现。且通常涂覆的材料类型为金属或者无机材料，例如Ni、Al、SiO2，Al2O3等，虽然这些保护层对复合材料起到了较好的防护效果，但利用上述方法沉积的膜层存在一致命缺点就是其与基体之间存在着较大的线性膨胀系数差异，缺乏柔顺性且存在界面问题，以及在LEO轨道热循环作用下，涂层非常容易开裂和剥离，导致膜层的失效，同时原子氧透过涂层对复合材料进行侵蚀，对航天器造成二次污染、损坏。针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术选用电子束蒸发和磁过滤/射频磁控等方法的耦合制备耐原子氧聚合物膜层材料，以解决结合强度、热穿透和氧穿透的问题，并利用长条电极进行气体辉光放电清洗能显著去掉聚合物基体表面的静电、污染物及水蒸气，有利于提高后续与氧化物等的结合强度；以及基于等离子体对聚合物基体进行刻蚀能够明显提高基体表面能，增加其亲水性，大幅提高与氧化物的结合强度；同时氧原子气体的刻蚀能明显提高聚合物基体的憎氧性，减少后续原子氧的刻蚀。进一步地，所述连接层的沉积厚度为0.1～20nm；所述阻氧层的沉积厚度0.1～3μm；所述活性金属层的沉积厚度为0.1～1μm。本专利技术还请求保护上述耐原子氧聚合物膜层材料的制备方法，所述方法即为一种聚合物表面制备抗原子氧侵蚀涂层的方法，具体包括以下步骤：I、对聚合物基体利用长条电极进行气体辉光放电清洗，随后对清洗后的基体进行氧离子束刻蚀，备用；II、在步骤(I)处理后的聚合物基体表面上，利用射频磁控溅射沉积SiO2制备连接层；III、在步骤(II)制备的连接层上，利用电子束蒸发技术沉积氧化铝或氧化锆制备阻氧层；IV、在步骤(III)制备的阻氧层上，利用磁过滤沉积Mg、Al或Zn制备活性金属层；V、在步骤(IV)制备的活性金属层上，利用电子束蒸发技术沉积氧化铝或氧化锆制备阻氧层，以最终制得所述耐原子氧聚合物膜层材料。需要说明的是，上述工艺步骤选取具有的优异效果如下：①对聚合物基体利用长条电极进行气体辉光放电清洗能显著去掉聚合物表面的静电，污染物以及水蒸气，有利于提高后续与氧化物等的结合强度；②基于等离子体对聚合物基体进行刻蚀能够明显提高聚合物表面能，增加其亲水性，大幅提高与氧化物的结合强度；同时氧原子气体的刻蚀能明显提高聚合物基体的憎氧性，减少后续原子氧的刻蚀；③聚合物表面利用射频磁控溅射沉积含Si氧化物膜，Si氧化物与聚合物(聚酰亚胺)基体匹配性能较好，同时其氧化物在原子氧环境下刻蚀速率低，能够阻止原子氧向基体的渗入；④聚合物表面利用磁过滤沉积或者射频溅射制备氧化铝、氧化锆等阻氧层；在Si氧化物上进行沉积能够有较好的结合强度；沉积方法为磁过滤沉积和射频溅射，采用这两种技术制备的膜层致密性好，阻氧效果明显，同时厚度不用太厚，0-1微米便能起到第三道屏障。同时该层还具备很好的隔热效果，在低空轨道处高低温差大，膜层与基体本身在温差大的环境下容易发生开裂，该膜层不仅能够降低高低温的温差，还能实现一定的隔热效果。⑤聚合物表面利用磁过滤沉积制备活性金属层Mg，Al，Zn等，能够实现膜层表面应力的释放，因为氧化物沉积过程中本身存在着应力，金属层的过渡能明显降低整体膜层的内应力；同时金属涂层存在能够有效的吸附和固定由最外层渗入的原子氧，有效减少原子氧向更深层扩散，该金属层为阻氧第二道屏障。⑥聚合物表面利用电子束蒸发制备氧化铝、氧化锆等阻氧层。此外，利用电子束蒸发可实现大批量处理，成本低、效率高。能够快速制备厚氧化物层，该氧化物层虽致密性不如磁过滤沉积和射频溅射，但其在最外表面，沉积厚度厚，具备一定的隔温效果，为阻氧的第一道屏障。进一步的，所述步骤(I)中的清洗电流为0.1～3A，电压为300～1000V，清洗时间为1～60min；且所述长条电极的长度为100～1000mm。需要说明的是，电压过高会使膜层击穿，产生根本性的破坏；而电压过低则无清洗效果。更进一步地，所述氧离子束刻蚀处理的束流为1～500mA，深度为0～10nm；及气体流量为1～100sccm，处理时间为1～10min。其中，氧离子束刻蚀处理的束流与刻蚀深度成正比关系，随着刻蚀电流的提高，刻蚀深度增加，且离子束刻蚀电流过高则会使得刻蚀深度过深，以致深度大于10nm进一步地，所述射频磁控溅射沉积的射频功率为1～5KW；沉积速率为0.1～10A/min，沉积时间为0.1～2h及沉积厚度为0.1～20nm。进一步地，所述电子束蒸发技术的蒸发功率为3～20KW；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐原子氧聚合物膜层材料，其特征在于，所述膜层材料为五层复合结构，基体层为聚合物薄膜，中间过渡层依次为连接层、阻氧层和活性金属层，表层为阻氧层；其中，/n所述连接层为利用射频磁控溅射沉积的SiO

【技术特征摘要】
1.一种耐原子氧聚合物膜层材料，其特征在于，所述膜层材料为五层复合结构，基体层为聚合物薄膜，中间过渡层依次为连接层、阻氧层和活性金属层，表层为阻氧层；其中，
所述连接层为利用射频磁控溅射沉积的SiO2层；
所述阻氧层为利用电子束蒸发技术制备的氧化铝或氧化锆层；
所述活性金属层为利用磁过滤沉积的Mg、Al或Zn层。


2.根据权利要求1所述的一种耐原子氧聚合物膜层材料，其特征在于，所述连接层的沉积厚度为0.1～20nm；所述阻氧层的沉积厚度0.1～3μm；所述活性金属层的沉积厚度为0.1～1μm。


3.一种如权利要求1或2所述的耐原子氧聚合物膜层材料的制备方法，其特征在于，所述方法即为一种聚合物表面制备抗原子氧侵蚀涂层的方法，具体包括以下步骤：
I、对聚合物基体利用长条电极进行气体辉光放电清洗，随后对清洗后的基体进行氧离子束刻蚀，备用；
II、在步骤(I)处理后的聚合物基体表面上，利用射频磁控溅射沉积SiO2制备连接层；
III、在步骤(II)制备的连接层上，利用电子束蒸发技术沉积氧化铝或氧化锆制备阻氧层；
IV、在步骤(III)制备的阻氧层上，利用磁过滤沉积Mg、Al或Zn制备活性金属层；
V、在步骤(IV)制备的活性金属层上，利用电子束蒸发技术沉积氧化铝或氧化锆制...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖斌，欧阳潇，欧阳晓平，罗军，陈琳，庞盼，张旭，吴先映，英敏菊，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11