Kapton/Al二次表面镜带电粒子辐照损伤效应及机理

摘要

本文依据空间能谱等效代换的原则，采用空间综合辐照设备对Kapton/Al薄膜二次表面镜进行了空间辐照地面模拟试验。深入研究了低能空间带电粒子（质子和电子）单独及综合作用下对Kapton/Al薄膜光学性能的辐照损伤，借助于AFM、UV/Vis、FTIR-ATR、XPS和MS等分析技术重点分析了辐照损伤的微观机理，在量子化学理论基础上应用模拟软件建立了辐照损伤断键模型，并提出质子辐照作用下辐照损伤的化学反应机制。
　　研究结果表明，经空间带电粒子辐照后，Kapton/Al的反射性能在可见光及近红外光区发生退化，随着辐照剂量的增加，光谱反射系数不断降低。单独作用后的叠加效果要高于综合辐照的作用效果，Kapton/Al综合辐照作用后其光学性能表现出协同效应。辐照能量一定时，质子辐照Kapton/Al涂层的太阳吸收比变化Δαs随辐照剂量的变化为线性函数关系，即Δαs=kΦ；电子辐照Kapton/Al涂层的太阳吸收比变化Δαs随辐照剂量的变化为幂函数关系，即Δαs=αΦβ。
　　质子单独辐照和综合辐照后样品表面出现明显的颜色变化，电子辐照剂量达到3×1015cm-2后，SEM观测可见明显的充放电花纹。经AFM观测发现，辐照后Kapton/Al表面出现“指状”（质子和综合辐照）或“丘状”（电子辐照）突起，导致样品表面粗糙度增加。
　　Kapton薄膜在带电粒子辐照后光谱透过率随辐照剂量的增加而降低，在可见光区出现吸收峰，并且末端吸收发生红移。吸光度的增加是由于辐照过程中有新的发色团产生，末端吸收从UV到可见的红移是由于光能隙的逐渐减小引起的。
　　质子辐照过程中酰亚胺环和醚键等低键能的键发生断键，由电离和激发作用产生的自由基和离子碎片首先以易挥发的小分子形式相结合，进而逃逸出试样表面，导致试样表层氧和氮含量的显著降低以及炭含量的相对增加；而C、O和N原子间通过新键相结合形成酮亚胺(C=C=N–)、异氰基(–N=C=O)和羟胺(C–O–N)等新组分；苯环在质子辐照作用下也可能受到了一定程度的破坏，生成类似石墨结构的碳化产物。
　　根据饱和径迹模型,对红外谱图中某些特征峰所做的定量分析表明，在质子辐照期间Kapton中的羰基、苯环、酰胺基和芳香醚等官能团都以相似的损伤截面参与了损伤层中的降解过程；随着电子能损值的递增，PI特征官能团的损伤截面基本上呈现出递增的趋势，说明聚合物Kapton的辐照损伤强烈依赖于离子电子能损效应，这一结论也与TRIM计算结果相吻合。
　　50keV电子主要造成Kapton薄膜表层C–N键的破坏，形成N+离子碎片，同时伴随部分醚键的断裂。所形成的N+、O+和C+碎片或自由基也会形成易挥发的小分子逸出表面，造成苯环中稳定炭含量的相对增加。70keV电子辐照后，不仅发生上述断键反应，而且断键产生的离子碎片与自由基的体积浓度增大，可增加分子间交联和形成新的分子结构的可能性。随辐照能量的提高，Kapton薄膜表面碳富集趋势增加。
　　在量子化学基础上，建立了Kapton的5种断键模型。热力学计算表明，5种可能的断键反应模式在热力学意义上都是易于发生的，5种断键反应发生的几率按从大到小顺序排列：C–N(酰亚胺环)>C–C(酰亚胺环)>C–N(与苯环炭相连)〉C–O–C。根据以上计算和原位质谱检测结果，再结合红外光谱和XPS分析，提出Kapton/Al二次表面镜质子辐照微观损伤的化学反应机制。

目录

Kapton/Al 二次表面镜带电粒子辐照损伤效应及机理

DAMAGE EFFECTS AND MECHANISMSOF CHARGE PARTICLE IRRADIATIONON SECOND SURFACE MIRROR OFKAPTON/Al

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 薄膜二次表面镜热控涂层及其空间应用

1.2.1 热控涂层的工作原理和性能要求

1.2.2 薄膜二次表面镜的结构特点

1.2.3 薄膜二次表面镜的空间应用

1.3 空间环境分析

1.3.1 高真空环境

1.3.2 热环境

1.3.3 空间辐射环境

1.3.4 原子氧环境

1.3.5 空间微粒子环境

1.4 航天器常用运行轨道环境特点

1.5 薄膜二次表面镜的环境效应

1.5.1 辐照效应

1.5.2 原子氧侵蚀

1.5.3 充放电效应

1.5.4 空间微粒子的撞击损伤

1.6 带电粒子与材料的作用及其蒙特卡罗模拟

1.6.1 带电粒子与物质作用的主要形式

1.6.2 带电粒子的能量在物质中的转移

1.6.3 蒙特卡罗模拟的基本原理

1.7 研究目的及内容

第2章 材料、设备及研究方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 太阳吸收比计算方法

2.4 蒙特卡罗模拟计算

2.4.1 质子辐照模拟结果

2.4.2 电子辐照模拟结果

2.5 试验方案设计

2.5.1 试验方案确定原则

2.5.2 具体试验方案

2.6 分析测试方法

2.6.1 材料性能测试

2.6.2 表面形貌与微观结构分析

2.7 本章小结

第3章 空间辐照Kapton/Al 二次表面镜性能演化与表征

3.1 带电粒子辐照下Kapton/Al 光谱反射系数变化规律

3.1.1 质子辐照Kapton/Al 光谱反射系数变化规律

3.1.2 电子辐照Kapton/Al 光谱反射系数变化规律

3.1.3 综合辐照Kapton/Al 光谱反射系数变化规律

3.2 带电粒子辐照下Kapton/Al 太阳吸收比变化规律

3.3 带电粒子辐照Kapton/Al 太阳吸收比变化与粒子种类关系

3.4 本章小结

第4章 Kapton/Al 二次表面镜空间辐照损伤机理

4.1 Kapton/Al 二次表面镜表面形貌分析

4.1.1 表观变化

4.1.2 表面形貌演化规律

4.1.3 表面粗糙度演化规律

4.2 紫外-可见光谱分析

4.2.1 Kapton 薄膜透过率的变化

4.2.2 质子辐照Kapton 薄膜透过率变化的内部机制

4.3 FTIR-ATR 分析

4.3.1 质子辐照Kapton 薄膜的FTIR-ATR 分析

4.3.2 电子辐照Kapton 薄膜的FTIR-ATR 分析

4.3.3 综合辐照Kapton 薄膜的FTIR-ATR 分析

4.4 拉曼光谱分析

4.5 XPS 分析

4.5.1 质子辐照Kapton 薄膜的XPS 分析

4.5.2 电子辐照Kapton 薄膜的XPS 分析

4.5.3 综合辐照Kapton 薄膜的XPS 分析

4.6 TEM 分析

4.7 本章小结

第5章 Kapton/Al 二次表面镜空间辐照损伤模型

5.1 Kapton/Al 二次表面镜带电粒子辐照损伤断键模式

5.2 量子化学基础理论及计算方法

5.2.1 密度泛函理论

5.2.2 振动频率及热力学性质的计算

5.2.3 计算方法

5.3 损伤模型建立及其热力学计算

5.4 Kapton/Al 质子辐照损伤微观机制

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历