真空环境下胶黏剂出气污染物平均解析化学能的确定方法

摘要

本发明公开了一种真空环境下胶黏剂出气污染物平均解析化学能的确定方法，该方法根据扩散理论以及吸附动力学微分方程，建立胶黏剂出气污染物在低温敏感表面的沉积模型；采用出气设备针对相同的胶黏剂样品材料进行出气试验，获得不同出气单元温度和不同敏感表面温度下，沉积量随时间变化的试验曲线；利用多组试验曲线，求取满足试验曲线的沉积模型参数，参数中的E即为所需的平均解析化学能，每个敏感表面温度对应一个平均解析化学能E。使用本发明能更准确的预估解析化学能的值，从而减少卫星分子污染物在敏感表面沉积量估算误差，为航天器长寿命、高可靠性的要求提供技术保证。

说明书

技术领域

本发明属于真空环境下材料测试技术领域，尤其涉及一种真空环境下的胶黏剂出气污染物平均解析化学能的确定方法。

背景技术

随着空间技术的不断发展，人们对航天器的可靠性、使用寿命等要求越来越高。航天器的污染对其光学性能、数据采集、热控性能具有较大的影响。近年来由污染引发的航天器性能问题日益突出，航天器污染分析成了航天领域关注的重点之一，并且它已经成为制约航天器向高可靠性、长寿命发展的瓶颈。

近几年，针对卫星污染研究中，主要存在以下两个问题：

首先大多数只关注了160K以上敏感表面分子污染的沉积特性，未来的对地观测卫星包括灾害监测卫星、气象卫星、高分辨率光学遥感卫星等，这些卫星所携带的光学元件工作温度往往低于常温。尤其是低温光学系统载荷在轨工作温度为150K甚至更低的温度，这就决定其具有相对低温表面，更容易被出气分子污染的特性，进而可能会引起光学系统的性能下降，降低光学系统的在轨使用性能和寿命。但是目前对沉积特性的研究大多在150K以上，对于150K以下的温度，研究结果不适用。

其次针对沉积量预估，国内外主要采用解析化学能的经验值进行沉积量的预估，这些经验值在卫星污染模拟的应用方面还是不够完善，没有针对胶黏剂进行研究，对胶黏剂进行分析时，往往只能采用有机物的经验值，因此分析结果不够精确，难以直接应用到计算。

因此迫切需要一种确定星用胶黏剂材料出气污染物解析化学能的方法，从而减少卫星分子污染物在敏感表面沉积量估算误差，用于评价航天器寿命，为航天器长寿命、高可靠性的要求提供技术保证。

发明内容

有鉴于此，本发明针对星用胶黏剂材料提供了一种真空环境下的胶黏剂出气污染物平均解析化学能的确定方法，能更准确的预估解析化学能的值，从而减少卫星分子污染物在敏感表面沉积量估算误差，为航天器长寿命、高可靠性的要求提供技术保证。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种真空环境下胶黏剂出气污染物平均解析化学能的确定方法，包括：

步骤1、根据扩散理论以及吸附动力学微分方程，建立胶黏剂出气污染物在低温敏感表面的沉积模型m_d＝f(E，D，C₀，t)；其中，m_d为污染分子在时间t的沉积量，D为扩散系数，C₀为出气初始浓度，E为所需求取的平均解析化学能；

步骤2、采用出气设备针对相同的胶黏剂样品材料进行出气试验，获得不同出气单元温度和不同敏感表面温度下，m_d随t变化的试验曲线m_d＝f(t)；

步骤3、利用步骤2获得的多组试验曲线，求取满足试验曲线的沉积模型参数，参数中的E即为所需的平均解析化学能，每个敏感表面温度对应一个平均解析化学能E。

优选地，所述步骤3为：

步骤31、选取敏感表面温度为T₁和T₂、出气单位温度为T_c1和T_c2的四条试验曲线；

步骤32、取T₁、T_c1对应的试验曲线，拟合沉积模型参数，记为E₁、D₁、C₀₁；

步骤33、取T₂、T_c1对应的试验曲线，将D₁、C₀₁代入沉积模型，拟合沉积模型参数中的平均解析化学能E，记为E₂；

步骤34、取T₁、T_c2对应的试验曲线，将E₁代入沉积模型，拟合沉积模型参数中的扩散系数D和出气初始浓度C₀，记为D₂、C₀₂；步骤33和步骤34不分先后；

步骤35、取T₂、T_c2对应的试验曲线，与参数E₂、D₂、C₀₂所确定的沉积模型曲线进行对比，如果相似度达到要求，则执行步骤36，否则重新选取试验曲线重复本步骤3的处理；

步骤36、将E₁和E₂分别确定为温度T₁和温度T₂情况下胶黏剂样品材料对应的平均解析化学能。

优选地，步骤35所述相似度的判定采用置信度。

优选地，步骤2中不同试验取相同厚度的胶黏剂样品材料。

优选地，所述沉积模型为：

其中，d为试验时作为样品的胶黏剂材料平均厚度，F_B为试验用出气设备的视角因子，τ₀为污染分子在敏感表面的平均振动时间，T为敏感表面温度，R为普适气体常数，σ为污染分子碰撞敏感表面的反射系数。

有益效果：

本发明利用星用胶黏剂出气污染物沉积特性确定其平均解析化学能，可以更加方便地测定星用材料的解析化学能，对于在轨期间由于胶黏剂出气污染物分子造成的航天器某些低温敏感表面污染情况给出了科学的预估结果，可以提高航天光学系统等其他低温载荷系统设计的可靠性。

附图说明

图1为本发明用一种出气设备的结构示意图。

图2为出气单元温度为423K，RTV566在温度为90K敏感表面QCM1沉积量随时间的变化，包括拟合数据和试验数据；横轴为时间，纵轴为沉积量。

图3为出气单元温度为398K，RTV566在温度为90K敏感表面QCM1沉积量随时间的变化，包括拟合数据和试验数据；横轴为时间，纵轴为沉积量。

图4为出气单元温度为423K，RTV566在温度为160K敏感表面QCM2沉积量与时间关系，包括拟合数据和试验数据；横轴为时间，纵轴为沉积量。

图5为出气单元温度为398K，RTV566在温度为160K敏感表面QCM2沉积量与时间关系，包括拟合数据和试验数据；横轴为时间，纵轴为沉积量。

图6为本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明首先根据扩散理论以及吸附动力学微分方程，建立胶黏剂出气污染物在低温敏感表面的沉积模型，低温敏感表面一般是指200K～90K的低温，具体过程如下所示：

在稀薄气体环境下，单种污染物气体分子碰撞在表面上通用宏观分子沉积微分公式为：

式中：为污染分子的沉积流速率(g/cm²·s)；m_d为污染分子在时间t的沉积量(g/cm²)；为入射流速率(g/cm²·s)；τ为沉积污染物在表面的驻留时间；σ为污染分子碰撞敏感表面的反射系数，本实施例中取值为0.2。

式中：E为解析化学能(cal/mole)；R为普适气体常数，值为1.9872cal/mole·K；T为敏感表面温度(K)；τ₀为晶格振荡时间，即污染分子在敏感表面的平均振动时间，大约为10^-13s。

因此公式(2)可用于估计多种污染物分子沉积问题。以下是推导过程：

其中，C₀为出气的初始浓度，D为扩散系数，d为试验时作为样品的胶黏剂材料平均厚度，F_B为后文中试验用出气设备的视角因子；

对(3)微分得：

将(6)代入(4)得：

令所以上式可变为：

假设：当t＝0时，m_d＝0。

对(7)积分得：

将公式(8)中的a和b替换得：

本实施例中，取污染分子碰撞敏感表面的反射系数σ＝0.2，污染分子在敏感表面的平均振动时间τ₀＝10^-13s，s为秒。

根据试验用出气设备可知视角因子F_B＝415.08cm²；材料厚度d以及敏感表面温度T由试验过程确定，本实例选取的胶黏剂样品材料平均厚度d＝1cm，该厚度对最后所需求取的E没有影响，对C₀和D有影响；普适气体常数R＝8.31J·mol^-1·K^-1。

胶黏剂表面挥发的初始浓度C₀，解析化学能E，扩散系数D为待定常数。本发明通过对试验数据拟合获得这三个待定常数，然后把这些参数代入模型，与其他试验数据进行比较，从而得到所需要的E。

下面对本发明胶黏剂出气污染物平均解析化学能的确定方法进行详细描述。

步骤一、采用出气设备针对相同的胶黏剂样品材料进行出气试验，获得不同出气单元温度和不同敏感表面温度下，m_d随t变化的试验曲线m_d＝f(t)。

本步骤，取平均厚度d＝1cm的胶黏剂样品材料，放置于出气设备的出气单元中，出气设备中放置敏感表面，在某种型号的出气设备中可以一次放置三个敏感表面，设定三个敏感表面的温度为T₁、T₂和T₃。试验过程中，出气设备内部为真空状态。

设出气单元温度为T_c1，启动出气设备，出气设备将出气单元抽真空，并加热敏感表面到设定的温度T₁、T₂和T₃，并加热出气单元到设定出气温度T_c1，进行出气试验。三个敏感表面分别获得一个m_d随t变化的函数曲线m_d＝f(t)，共三条试验曲线；

将出气单元温度改为T_c2，进行重复操作，再获得三个试验曲线。

在实际中，还可以在这两个出气单元温度下，重新选定三个敏感表面温度T，重复进行试验获得更多的试验曲线。

步骤三、利用步骤2获得的多条试验曲线，求取满足试验曲线的沉积模型参数，参数中的E即为所需的平均解析化学能，每个敏感表面温度对应一个平均解析化学能E。

本步骤具体包含如下步骤：

步骤31、选取敏感表面温度为T₁和T₂、出气单位温度为T_c1和T_c2的四条试验曲线，为一组。

步骤32、取T₁、T_c1对应的试验曲线，拟合沉积模型参数，记为E₁、D₁、C₀₁。

步骤33、取T₂、T_c1对应的试验曲线，将D₁、C₀₁代入沉积模型，拟合沉积模型参数中的平均解析化学能E，记为E₂；这里可以采用数据处理软件(Origin)进行曲线拟合，获得参数。

步骤34、取T₁、T_c2对应的试验曲线，将E₁代入沉积模型，拟合沉积模型参数中的扩散系数D和出气初始浓度C₀，记为D₂、C₀₂。

步骤35、取T₂、T_c2对应的试验曲线，与参数E₂、D₂、C₀₂所确定的沉积模型曲线进行对比，如果相似度达到要求，则执行步骤36，否则重新选取试验曲线重复本步骤3的处理。

步骤36、将E₁和E₂分别确定为T₁和T₂对应的平均解析化学能。

通过对不同温度情况下的多组试验数据执行步骤31～36，可以获得各种敏感表面温度对应的平均解析化学能。而且本发明这种数据交叉进行拟合对比的方案，能够提高数据计算的准确度。

下面给一个实例。

本实例选用RTV566和GD414两种型号的硫化胶黏剂在室温、湿度30％±2％的条件下固化24小时后，得到测试所用的样本材料。

参考ASTM E 1559标准制定试验方案，在集成出气设备(IOS)OGF-2013展开相关试验，进行2个材料、6个敏感表面温度和2个出气单元温度的试验，试验所设置的参数如下表所示，每个材料获得12组数据，每组数据有几千个数据点。

表1

本发明采用如下过程进行试验曲线的分析，获得E。具体如下：

(1)首先，对出气单元温度为T_c1＝423K，敏感表面温度为T₁＝90K的RTV566凝结特性试验数据进行拟合得：

拟合结果如下表2所示，拟合结构与凝结特性试验数据的比较如图2所示：

表2出气单元温度为423K，敏感表面温度为90K

由拟合函数可得出气单元温度为T_c1＝423K，敏感表面温度为T₁＝90K时，τ＝775.83，RTV566的扩散系数D₁＝4.76×10-⁴cm²/s，初始浓度C₀₁＝6.95×10³g/s/cm。

(2)由出气单元温度为423K和398K出气污染物质谱图可知，在这两个出气温度下，污染物成份相差不大，因此可以认为τ只与敏感表面温度有关，即相同的敏感表面温度，τ相同。将τ＝775.83代入公式(9)，并对出气单元温度为T_c2＝398K，敏感表面温度为T₁＝90K时的RTV566凝结特性试验数据进行拟合得：

拟合结果如下表3所示，拟合结构与凝结特性试验数据的比较如图3所示：

表3出气单元温度为398K，敏感表面温度为90K

(3)由拟合函数可得出气单元温度为T_c2＝398K，敏感表面温度为T₁＝90K时，RTV566的扩散系数D₂＝2.33×10^-4cm²/s，初始浓度C₀₂＝3.43×10³g/s/cm。扩散系数D，初始浓度C₀在同一次试验，并且出气单元温度不变的情况下是定值，由于每次试验出气单元温度不变，并且每个出气单元温度只进行一次试验；扩散系数D，初始浓度C₀只与出气单元温度有关，即不同的出气单元温度具有不同的扩散系数D，初始浓度C₀。

当出气单元温度为T_c1＝423K，RTV566的扩散系数D₁＝4.76×10^-4cm²/s，初始浓度C₀₁＝6.95×10³g/s/cm。将D₁和C₀₁代入公式(9)，并对出气单元温度为T_c1＝423K，敏感表面温度为T₂＝160K，RTV566凝结特性试验数据进行拟合得：

拟合结果如下表4所示，拟合结构与凝结特性试验数据的比较如图4所示：

表4出气单元温度为423K，敏感表面温度为160K

(4)敏感表面温度为T₂＝160K，τ＝341.4，即E₂＝4.76×10⁴J/mol。当出气单元温度为T_c2＝398K，RTV566的扩散系数D₂＝2.33×10^-4cm²/s，初始浓度C₀₂＝3.43×10³g/s/cm，将以上参数E₂、D_t2、C₀₂代入公式(9)，得：

将该曲线与出气单元温度为T_c2＝398K，敏感表面温度为T₂＝160K，RTV566凝结特性试验数据进行比较，拟合结果如下表5所示，拟合结构与凝结特性试验数据的比较如图5所示：

表5出气单元温度为398K，敏感表面温度为160K

根据如图5所示的比较结果，其置信度为0.97。大约在500分钟时，理论数据与试验数据重合，500分钟以下，试验数据大于理论数据，500分钟以上试验数据小于理论数据。放气有3个过程起作用：(1)材料内部和表面吸附的气体分子解，例如H2O、N2等，它们为地面加工、测试、储存、装卸发射过程中吸附的；(2)材料内含的稀释剂、未聚合的单体增塑润滑等扩散及从表面解吸；(3)材料基体由于材料暴露于其他环境而产生裂解。例如热环境，相对于已有分子，这些产物分子量低(挥发性高)，所以开始时，材料内部和表面吸附的气体解吸较多，因此试验值理论大。500分钟以后由于QCM表面已经吸附了许多分子，分子与分子的结合较分子与敏感表面结合力弱，所以随着时间的增加，污染物分子的蒸发率也增加，因此试验值较理论值小。

GD414试验过程与比较结果与RTV566相似，这里不再重复说明。

综述上所述，本发明适用于星用硫化胶黏剂出气污染物在低温敏感表面QCM的解析化学能的计算，利用此方法，可以减少沉积模型计算误差，更好地对在轨卫星用胶黏剂出气污染物分子沉积量的进行预估。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。