喬 佳 王先榮 楊生勝 蔣 鍇 郭 興

(蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000)

膠黏劑出氣污染物在低溫敏感表面凝結(jié)特性

喬 佳 王先榮 楊生勝 蔣 鍇 郭 興

(蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000)

文 摘 未來(lái)衛(wèi)星所攜帶的光學(xué)系統(tǒng)載荷溫度往往很低，低溫表面更容易被出氣污染物分子污染，進(jìn)而可能降低光學(xué)系統(tǒng)的性能以及其在軌使用壽命。針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于擴(kuò)散理論和經(jīng)典吸附動(dòng)力學(xué)理論，獲得了膠黏劑出氣污染物在低溫敏感表面詳細(xì)的理論模型，利用航天器材料放氣污染特性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 1559對(duì)膠黏劑出氣污染物在低溫敏感表面出氣凝結(jié)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型具有良好的一致性，獲得了膠黏劑出氣污染物在低溫敏感表面的凝結(jié)理論模型，用于對(duì)低溫表面進(jìn)行污染預(yù)估和控制，從而為污染計(jì)算與預(yù)測(cè)提供了可借鑒的手段。

擴(kuò)散理論，吸附動(dòng)力學(xué)，膠黏劑，出氣，凝結(jié)特性

0 引言

未來(lái)對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星所攜帶的光學(xué)器件的工作溫度往往低于常溫，尤其是低溫光學(xué)系統(tǒng)載荷在軌工作溫度為150 K甚至更低，低溫表面更容易被出氣分子污染，進(jìn)而可能會(huì)引起光學(xué)系統(tǒng)的性能下降，降低光學(xué)系統(tǒng)的在軌使用性能和壽命[1]。因此有必要對(duì)低溫敏感表面的凝結(jié)特性進(jìn)行詳細(xì)的研究，從而為總體部門(mén)提供優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為航天器污染控制的參考依據(jù)，由此制定污染控制計(jì)劃[2]。

王先榮等人[3]利用分子污染低溫凝結(jié)效應(yīng)設(shè)備對(duì)分子凝結(jié)與凝結(jié)表面溫度的關(guān)系機(jī)理進(jìn)行了研究，得到了分子凝結(jié)與凝結(jié)表面溫度的指數(shù)關(guān)系：

(1)

式中，B為t時(shí)間內(nèi)在凝結(jié)表面上出氣污染物沉積凝結(jié)的總量, A0為材料可出氣總量，Tc表示材料出氣受熱溫度，a1、b1與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，Tn為凝結(jié)表面凝結(jié)溫度，a2、b2和c為與材料出氣溫度、凝結(jié)表面物性及表面能等相關(guān)的系數(shù)。

王先榮等人自主研制的分子污染低溫凝結(jié)效應(yīng)設(shè)備致冷范圍為173～298K，測(cè)試靈敏度為10-9g，每次實(shí)驗(yàn)只能測(cè)一個(gè)敏感表面溫度相關(guān)的沉積特性數(shù)據(jù)，總質(zhì)損(TotalMassLosses，TML)通過(guò)異位測(cè)量。本文引進(jìn)的出氣設(shè)備(IOS)OGF-2013，此設(shè)備敏感表面致冷范圍90～398K，測(cè)量靈敏度為10-9g·s/cm2，每次實(shí)驗(yàn)可以設(shè)置三個(gè)不同的敏感表面溫度，TML可以進(jìn)行原位測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較精確，試驗(yàn)過(guò)程比較方便。

本文主要基于前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合最近幾年所獲得的理論，推導(dǎo)出了凝結(jié)量與時(shí)間的明確函數(shù)關(guān)系，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而獲得膠黏劑出氣污染物在低溫敏感表面的凝結(jié)理論模型。

1 理論分析

出氣污染物分子污染過(guò)程可分為三個(gè)過(guò)程；出氣、傳輸、沉積。關(guān)于出氣過(guò)程和傳輸過(guò)程的理論研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，所以本論文主要研究出氣污染物分子在低溫表面的沉積過(guò)程。本文借用了姚日劍[4]所研究出氣模型，此模型經(jīng)驗(yàn)證符合膠黏劑出氣過(guò)程的實(shí)際情況。對(duì)于傳輸過(guò)程，由于本論文主要研究中高軌道低溫表面污染物沉積特性，環(huán)境中的分子少，周?chē)h(huán)境溫度比較低，所以在建模過(guò)程中只考慮直接視線(xiàn)傳輸過(guò)程。針對(duì)沉積過(guò)程，本文基于經(jīng)典吸附動(dòng)力學(xué)理論，此理論不僅考慮了污染物分子的沉積過(guò)程也考慮了沉積的污染物分子的蒸發(fā)過(guò)程，符合膠黏劑沉積的實(shí)際情況。

姚日劍等人[4]以擴(kuò)散理論為依據(jù)，推導(dǎo)出材料出氣模型。對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，通過(guò)試驗(yàn)和理論分析，證實(shí)了模型推導(dǎo)的正確性。本文樣品顆粒直徑d為1mm，非金屬材料中的各種成分的擴(kuò)散系數(shù)D>10-6cm2/s，可得t0=0.052d2/D<8.6min，將樣品從室溫加熱穩(wěn)定到規(guī)定溫度所需時(shí)間至少2h，因此選擇了第二個(gè)出氣量函數(shù)，由出氣量函數(shù)可知，到達(dá)敏感表面單位面積的出氣污染量為:

(2)

式中，C0為初始濃度，d為樣品厚度，D為擴(kuò)散系數(shù)，t為所花費(fèi)的時(shí)間，F(xiàn)B為視角因子。

C.FONGM[5]研究了一種通用的黏附系數(shù)理論。這個(gè)理論是基于典型的吸附動(dòng)力學(xué)概念，適用于當(dāng)入射流穩(wěn)定時(shí)沉積在敏感表面上單種或者多種中性污染物分子，并且與DC-704測(cè)試數(shù)據(jù)相符[6]。

在稀薄氣體環(huán)境下，單種污染物氣體分子碰撞在表面上通用宏觀(guān)分子沉積微分公式為：

(3)

(4)

式中，Ed為解吸化學(xué)能；R為普適氣體常數(shù)1.987 2 cal/(mol·K)；T為敏感表面溫度；τ0為晶格振蕩時(shí)間10-13s。

由于本文Ed采用平均解吸化學(xué)能，因此公式(1)可用于估計(jì)多種污染物分子沉積問(wèn)題。

利用公式(2)對(duì)公式(3)進(jìn)行積分并簡(jiǎn)化得到以下理論模型：

(5)

2 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)

2.1 設(shè)備及材料

圖1為集成出氣設(shè)備(IOS)OGF-2013，此設(shè)備是依據(jù)ASTME1559標(biāo)準(zhǔn)[7]設(shè)計(jì),其質(zhì)量靈敏度因子KS為1.73×10-9g·s/cm2，QCM到出氣孔的視角因子FB=415.08cm2。

應(yīng)用于航天器的膠黏劑，無(wú)論是結(jié)構(gòu)膠或是密封膠都必須滿(mǎn)足在空間環(huán)境影響及空間任務(wù)操作條件下的穩(wěn)定性，依據(jù)Q/W634-96《衛(wèi)星熱控膠黏劑指南》，選擇航天上常用的膠黏劑脫醇型單組分室溫硫化硅橡膠GD414和雙組分室溫硫化硅橡膠RTV566作為實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。

2.2 步驟

通過(guò)設(shè)置不同的出氣單元溫度和敏感表面溫度，獲得相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以對(duì)上述的理論模型進(jìn)行驗(yàn)證。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)將出氣單元溫度設(shè)為398K,三個(gè)QCM溫度分別為90、160、298K。稱(chēng)取100mg，等價(jià)厚度d為1cm的RTV，進(jìn)行出氣污染物凝結(jié)特性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為24h；

(2)將出氣單元溫度設(shè)為423K，其他與步驟(1)相同，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為24h；

(3)對(duì)GD414進(jìn)行出氣污染凝結(jié)特性的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟與(1)(2)相同。

3 結(jié)果與討論

由公式(5)可知，模型中未知參數(shù)只有三個(gè)：τ、C0、D，通過(guò)對(duì)三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，然后再將各個(gè)參數(shù)代入公式(5)，并令T=160K，所獲得的理論函數(shù)與出氣單元溫度為398K，敏感表面溫度為160K的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，最后結(jié)合比較結(jié)果對(duì)理論模型進(jìn)行分析修正。

3.1 RTV566沉積特性

通過(guò)對(duì)出氣單元溫度為423 K、敏感表面溫度為90 K RTV凝結(jié)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得：

(6)

擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

由擬合函數(shù)可得敏感表面溫度為90K時(shí)， τ=775.83s，由公式(4)可知，解吸化學(xué)能為2.74×104J/mol。以及出氣單元溫度為423K，RTV的擴(kuò)散系數(shù)D=4.76×10-4cm2/s，初始濃度C0=6.95×103g/(s·cm)。

由出氣單元溫度為423和398K出氣污染物質(zhì)譜圖可知，材料在這兩個(gè)出氣溫度下，污染物成分相差不大，因此可以認(rèn)為τ只與敏感表面溫度有關(guān)，即相同的敏感表面溫度，τ相同。將 τ=775.83s代入公式(5)，并對(duì)出氣單元溫度為398K、敏感表面溫度為90K、RTV凝結(jié)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。由擬合函數(shù)可得出氣單元溫度為398K、RTV的擴(kuò)散系數(shù)D=2.33×10-4cm2/s，初始濃度C0=3.43×103g/(s·cm)。D和C0在同一次實(shí)驗(yàn)，并且出氣單元溫度不變的情況下是相同的，由于每次實(shí)驗(yàn)出氣單元溫度不變，并且每個(gè)出氣單元溫度只進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，因此在本文中， D和C0只與出氣單元溫度有關(guān)。

當(dāng)出氣單元溫度為423K，RTV的擴(kuò)散系數(shù)D=4.76×10-4cm2/s，初始濃度C0=6.95×103g/(s·cm)。將D，C0和d代入公式(5)，并對(duì)出氣單元溫度為423K，敏感表面溫度為160K，RTV凝結(jié)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。由擬合結(jié)果可知，敏感表面溫度為160K，τ=341.4s，解吸化學(xué)能為4.76×104J/mol。當(dāng)出氣單元溫度為398K，RTV的擴(kuò)散系數(shù)D=2.33×10-4cm2/s，初始濃度C0=3.43×103g/(s·cm)。將以上參數(shù)代入公式(5)，得：

(7)

并與出氣單元溫度為398K，敏感表面溫度為160K,RTV凝結(jié)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見(jiàn)圖3。

由圖3可知，大約在500min時(shí)，理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重合，500min以下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大于理論數(shù)據(jù)，500min以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小于理論數(shù)據(jù)。放氣有3個(gè)過(guò)程起作用：

(1)材料內(nèi)部和表面吸附的氣體分子解吸，例如H2O、N2等，它們?yōu)榈孛婕庸?、測(cè)試、儲(chǔ)存、裝卸、發(fā)射過(guò)程中吸附的；

(2)材料內(nèi)含的稀釋劑、未聚合的單體、增塑劑、潤(rùn)滑劑等擴(kuò)散及從表面解吸；

(3)材料基體由于暴露于其他環(huán)境而產(chǎn)生裂解。例如熱環(huán)境。

相對(duì)于材料內(nèi)已有分子，這些產(chǎn)物分子量低(揮發(fā)性高)[2]，所以開(kāi)始時(shí)，材料內(nèi)部和表面吸附的氣體分子解吸較多，因此實(shí)驗(yàn)值較理論值大。500min以后，由于QCM表面已經(jīng)吸附了許多分子，分子與分子的結(jié)合較分子與敏感表面結(jié)合力弱，所以隨著時(shí)間的增加，污染物分子的蒸發(fā)率也增加，因此實(shí)驗(yàn)值較理論值小?？傮w上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相差不大。

3.2 GD414沉積特性

對(duì)GD414的處理過(guò)程與上述過(guò)程類(lèi)似。

由結(jié)果可知，敏感表面溫度為160 K，τ=652.98 s，解吸化學(xué)能為4.8×104J/mol。當(dāng)出氣單元溫度為398 K，GD414的D=5.34×10-4cm2/s，C0=7.79×103g/(s·cm)。將以上參數(shù)代入公式(5)得：

(8)

并與出氣單元溫度為398K，敏感表面溫度為160K,GD414凝結(jié)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖4所示。

由圖4可知，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)值大于理論值，然后理論值大于實(shí)驗(yàn)值，但是隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)值與理論值的差值越來(lái)越小，原因與RTV實(shí)驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似。但是整體上，理論值與實(shí)驗(yàn)值相差不大，從而可知公式(5)適用于GD414。由上可知，只要確定三個(gè)參數(shù)τ、C0、D便可以確定沉積量與時(shí)間的關(guān)系。

4 結(jié)論

基于前人研究的基礎(chǔ)上，利用擴(kuò)散理論和經(jīng)典吸附動(dòng)力學(xué)理論，推導(dǎo)出沉積量與時(shí)間函數(shù)關(guān)系，然后進(jìn)行在低溫敏感表面膠黏劑材料出氣凝結(jié)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型具有較好的吻合性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究，主要獲得以下結(jié)論。

(1)在低溫敏感表面，膠黏劑出氣污染物沉積量與時(shí)間的關(guān)系滿(mǎn)足指數(shù)的形式。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)t→,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值相近，從而可知，此理論可以用于長(zhǎng)壽命航天器污染評(píng)估。

(2) 對(duì)每項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，膠黏劑擴(kuò)散系數(shù)大約為10-4cm2/s，初始濃度約為103g/(s·cm)，可凝揮發(fā)物平均化學(xué)能為104J/mol。敏感表面溫度相同時(shí)，兩種材料出氣污染物在低溫表面的解吸化學(xué)能相差不大。

[1] 鐘詩(shī)勝, 林琳, 李福軍,等. 基于實(shí)例的衛(wèi)星污染環(huán)境預(yù)示系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2003, 29(6):38-40.

[2] 焦子龍. 航天器分子污染計(jì)算方法綜述[J]. 航天器環(huán)境工程, 2010, 27(2):181-189.

[3] 王先榮, 顏則東. 分子凝結(jié)與凝結(jié)表面溫度的關(guān)系機(jī)理研究[J]. 宇航學(xué)報(bào)， 2004, 25(3):327-329.

[4] 姚日劍, 王鷁, 王先榮,等. 星用非金屬材料出氣模型的應(yīng)用[J]. 宇航材料工藝, 2007, 37(2):48-54.

[5]FONGM.C.Ageneralstickingcoefficienttheoryforneutralandphotochemicallyexcitedmolecules[C].PartoftheSPIEConferenceonopticalsystemcontamination,California, 238-249.

[6]FONGM.C,ALECKLLee.Aanalyticalmodelforpredictingmoleculardepositiononopticalsurfaces[C].PartoftheSPIEConferenceonopticalsystemcontamination,California,1992：238-248.

[7]ASTMDesignation:E595-90.standardtestmethodformasslossandcollectedvolatilecondensablematerialsfromoutgassing[S].PublishedApril1990.

Condensation Characteristics of Adhesives Outgassing Contamination on Low Temperature Surface

QIAO Jia WANG Xianrong YANG Shengsheng JIANG Kai GUO Xing

(Lanzhou Institute of Space Technology and Physics,Lanzhou 730000)

The temperature of the optical system load is usually low.Low temperature surface is more easily contaminated by the outgassing molecules, which can degrade the performance and lifetime of the optical system load. Based on the diffusion theory and the classical adsorption kinetics theory,we achieve the adhesive depositing model, and then conduct an experiment on the condensation characteristics of adhesive. The experimental data is consistent with the theoretical model.This model can predict and control the contamination on low temperature surface to ensure normal operation of the satellites.

Diffusion theory, Classical adsorption kinetics, Adhesive, Outgassing, Condensation

2016-09-14

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(9140C550205140C55003)

喬佳，1990年出生，碩士研究生，主要從事空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)研究。E-mail:1259565923@qq.com

楊生勝，1966年出生，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事空間環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)研究。E-mail:2syang@sina.com

TB34

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.02.011