光学玻璃微米级空间碎片防护膜

摘要

本发明公开了一种光学玻璃微米级空间碎片防护膜，包括依次设置在光学玻璃表面上的弹簧结构、底层薄膜和纳米多层连续薄膜，弹簧结构紧密结合在基底光学玻璃上，采用掠射角沉积技术获得，用于缓冲微小碎片的撞击能量；底层薄膜为整体的连续膜层，在氩气氛围下通过磁控溅射技术制备；纳米多层膜由DLC膜和Al膜多层交替制备而成，纳米多层膜旨在获得硬度和韧性具佳的薄膜，减小碎片撞击导致薄膜裂纹的发生。

说明书

技术领域

本发明属于空间环境效应及防护技术领域，具体来说涉及一种光学玻璃微米级空间碎片防护膜。

背景技术

空间光学系统被称为航天器的眼睛，是宇宙飞船和各种卫星必不可少的零部件，主要起着侦查、探测和收集宇宙空间信息的作用，所以是航天器上重要的有效载荷。光学玻璃是空间光学系统重要的组成部分，主要用于航天器舷窗玻璃、反射或透射镜片，太阳能电池阵的防护盖片等。空间碎片大约以10km/s的速度在低地球轨道运行，构成了一个极其庞大的空间环境，其存在对在轨航天器、卫星等会造成很大的影响。美国航天局公布空间碎片数量巨大，不仅威胁在轨航天器自身安全，且大尺寸的碎片在飞行过程中也会相互撞击产生数量更多、尺寸更小的微小碎片，进而导致空间环境更加恶劣。目前对于1cm以下的碎片，尤其是微米级碎片只能采取被动的防护措施，因此，该尺寸范围碎片防护技术和方法是业内的研究热点。提供一种光学玻璃微米级空间碎片防护膜具有重大的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学玻璃微米级空间碎片防护膜，可以用于航天器用光学玻璃表面微米级空间碎片的防护，为提高空间光学器件的微小碎片防御能力提供了有效手段。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案:

光学玻璃微米级空间碎片防护膜，通过真空镀膜方法制备于待防护的光学玻璃表面上，包括依次设置在光学玻璃表面上的弹簧结构、底层薄膜和纳米多层连续薄膜，弹簧结构紧密结合在基底光学玻璃上，且成分为SiO₂或Si₃N₄；弹簧结构采用掠射角沉积技术获得，用于缓冲微小碎片的撞击能量；底层薄膜为整体的连续膜层，其成分为Si或Ti，Si或Ti膜层在氩气氛围下通过磁控溅射技术制备；纳米多层膜，为整体连续膜层，其成分为DLC/Al，由DLC膜和Al膜多层交替制备而成，其中DLC为硬质膜，Al为增韧相，纳米多层膜旨在获得硬度和韧性具佳的薄膜，减小碎片撞击导致薄膜裂纹的发生。

其中，弹簧结构厚度0.5μm～1μm；优选0.8μm～1μm；

其中，DLC膜为类金刚石薄膜，具有sp²和sp³电子轨道杂化的碳原子空间网络结构；

进一步地，DLC膜通过C₂H₂氛围下射频放电方式获取，气压5×10^-2Pa～5×10^-1Pa，射频功率800W～1000W，膜层厚度20nm～50nm。

其中，Al膜在氩气氛围下通过磁控溅射技术制备，气压4×10^-1Pa～1Pa，薄膜厚度20nm～50nm。

进一步地，DLC/Al多层膜至少包括5个调制单元，即5层DLC膜，5层Al膜；优选8-10个调制单元，即8-10层DLC膜，8-10层Al膜；

其中，弹簧结构通过SiO₂或Si₃N₄在氧气或氮气氛围下利用磁控溅射技术制备，其中磁控溅射粒子束入射角82°～88°，气压4×10^-1Pa～1Pa。

进一步地，弹簧结构可见光波段的透过率大于90％。

底层薄膜用于提高弹簧结构与其上部纳米多层膜的结合力，磁控溅射技术制备中的气压4×10^-1Pa～1Pa，薄膜厚度0.2μm～0.3μm。

本发明所采用的光学玻璃表面镀制微米级空间碎片防护膜样品，经速度6.52km/s的碎片(直径0.5mm，厚度3μm)撞击后，表面无明显机械损伤，表面沉积物高度不大于6.650μm，400nm－800nm波段平均透过率不小于79.62％；而光学玻璃样品在相同试验参数下表面出现大量径向及环状裂纹，表面沉积物高度为16.547μm，400nm－800nm波段平均透过率为60.50％，说明防护膜具有较好的抗撞击性能。该防护膜的使用为航天器光学玻璃微米级空间碎片防护提供了有力手段。

附图说明

图1为本发明的光学玻璃微米级空间碎片防护膜结构示意图。

其中，1、纳米多层连续薄膜；2、底层薄膜；3、弹簧结构；

4、光学玻璃基底。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

本发明的光学玻璃微米级空间碎片防护膜，包括依次设置在光学玻璃基底4表面上的弹簧结构3、底层薄膜2和纳米多层连续薄膜1。

实施方式1弹簧结构为SiO₂，底层为Si层

在光学玻璃上先制备成分为SiO2的弹簧结构，光学玻璃先进行清洁处理，乙醇溶液超声清洗5min，并进行烘干。弹簧结构采用掠射角沉积技术来制备，在氧气氛围下通过Si靶材磁控溅射方式在光学玻璃表面制备SiO2弹簧结构，具体参数为：磁控溅射粒子束入射角为82°，气压8×10-1Pa，磁控溅射功率500W，光学玻璃旋转速率1.5rpm，时间60min，最终获得厚度0.62μm的弹簧结构，弹簧结构紧密结合在光学玻璃面上。

其次，弹簧结构上制备Si打底层，在氩气氛围下通过Si靶材磁控溅射方式在弹簧结构上制备Si连续膜层，具体参数为：磁控溅射粒子束入射角0°，气压4×10-1Pa，磁控溅射功率600W，时间30min，最终获得厚度0.26μm的膜层。

最后，Si打底层上制备纳米多层膜，其成分为DLC/Al，由DLC膜和Al膜多层交替制备而成，DLC/Al多层膜包括5个调制单元，即5层DLC膜，5层Al膜。下面叙述1个单元的制备方法。首先制备DLC膜层，通过C2H2氛围下射频放电方式获取，具体参数为：气压8×10-2Pa，射频功率800W，时间30s，制备的膜层厚度22nm；其次在氩气氛围下通过Al靶磁控溅射技术制备Al膜，具体参数为：气压5×10-1Pa，射频功率600W，时间60s，制备的膜层厚度33nm。其余4个单元制备方法上述过程相同。

实施方式2弹簧结构为SiO₂，底层为Ti层

在光学玻璃上先制备成分为SiO₂的弹簧结构，光学玻璃先进行清洁处理，乙醇溶液超声清洗5min，并进行烘干。弹簧结构采用掠射角沉积技术来制备，在氧气氛围下通过Si靶材磁控溅射方式在光学玻璃表面制备SiO₂弹簧结构，具体参数为：磁控溅射粒子束入射角为82°，气压8×10^-1Pa，磁控溅射功率500W，光学玻璃旋转速率1.5rpm，时间60min，最终获得厚度0.62μm的弹簧结构，弹簧结构紧密结合在光学玻璃面上。

其次，弹簧结构上制备Ti打底层，在氩气氛围下通过Ti靶材磁控溅射方式在弹簧结构上制备Ti连续膜层，具体参数为：磁控溅射粒子束入射角0°，气压4×10^-1Pa，磁控溅射功率600W，时间30min，最终获得厚度0.21μm的膜层。

最后Ti打底层上制备纳米多层膜，其成分为DLC/Al，由DLC膜和Al膜多层交替制备而成，DLC/Al多层膜包括5个调制单元，即5层DLC膜，5层Al膜。下面叙述1个单元的制备方法。首先制备DLC膜层，通过C₂H₂氛围下射频放电方式获取，具体参数为：气压8×10^-2Pa，射频功率800W，时间30s，制备的膜层厚度22nm；其次在氩气氛围下通过Al靶磁控溅射技术制备Al膜，具体参数为：气压5×10^-1Pa，射频功率600W，时间60s，制备的膜层厚度33nm。其余4个单元制备方法上述过程相同。

实施方式3弹簧结构为Si₃N₄，底层为Si层

在光学玻璃层上先制备成分为Si₃N₄的弹簧结构，光学玻璃先进行清洁处理，乙醇溶液超声清洗5min，并进行烘干。弹簧结构采用掠射角沉积技术来制备，在氮气氛围下通过Si靶材磁控溅射方式在光学玻璃表面制备Si₃N₄弹簧结构，具体参数为：磁控溅射粒子束入射角为86°，气压6×10^-1Pa，磁控溅射功率500W，光学玻璃旋转速率1.5rpm，时间60min，最终获得厚度0.54μm的弹簧结构，弹簧结构紧密结合在光学玻璃面上。

其次，弹簧结构上制备Si打底层，在氩气氛围下通过Si靶材磁控溅射方式在弹簧结构上制备Si连续膜层，具体参数为：磁控溅射粒子束入射角0°，气压4×10^-1Pa，磁控溅射功率600W，时间30min，最终获得厚度0.26μm的膜层。

最后Si打底层上制备纳米多层膜，其成分为DLC/Al，由DLC膜和Al膜多层交替制备而成，DLC/Al多层膜包括5个调制单元，即5层DLC膜，5层Al膜。下面叙述1个单元的制备方法。首先制备DLC膜层，通过C₂H₂氛围下射频放电方式获取，具体参数为：气压8×10^-2Pa，射频功率800W，时间30s，制备的膜层厚度22nm；其次在氩气氛围下通过Al靶磁控溅射技术制备Al膜，具体参数为：气压5×10^-1Pa，射频功率600W，时间60s，制备的膜层厚度33nm。其余4个单元制备方法上述过程相同。

实施方式4弹簧结构为Si₃N₄，底层为Ti层

在光学玻璃层上先制备成分为Si₃N₄的弹簧结构，光学玻璃先进行清洁处理，乙醇溶液超声清洗5min，并进行烘干。弹簧结构采用掠射角沉积技术来制备，在氮气氛围下通过Si靶材磁控溅射方式在光学玻璃表面制备Si₃N₄弹簧结构，具体参数为：磁控溅射粒子束入射角为86°，气压6×10^-1Pa，磁控溅射功率500W，光学玻璃旋转速率1.5rpm，时间60min，最终获得厚度0.54μm的弹簧结构，弹簧结构紧密结合在光学玻璃面上。

其次，弹簧结构上制备Ti打底层，在氩气氛围下通过Ti靶材磁控溅射方式在弹簧结构上制备Ti连续膜层，具体参数为：磁控溅射粒子束入射角0°，气压4×10^-1Pa，磁控溅射功率600W，时间30min，最终获得厚度0.21μm的膜层。

最后Si打底层上制备纳米多层膜，其成分为DLC/Al，由DLC膜和Al膜多层交替制备而成，DLC/Al多层膜包括5个调制单元，即5层DLC膜，5层Al膜。下面叙述1个单元的制备方法。首先制备DLC膜层，通过C₂H₂氛围下射频放电方式获取，具体参数为：气压8×10^-2Pa，射频功率800W，时间30s，制备的膜层厚度22nm；其次在氩气氛围下通过Al靶磁控溅射技术制备Al膜，具体参数为：气压5×10^-1Pa，射频功率600W，时间60s，制备的膜层厚度33nm。其余4个单元制备方法上述过程相同。

下面列表说明不同实施方式得到防护膜的性能。

碎片撞击后防护膜性能对比(速度：6.52km/s，直径：0.5mm，厚度：3μm)

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。