Способ исследования взаимодействия атомарного кислорода с поверхностью материала

Способ исследования взаимодействия атомарного кислорода с поверхностью материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к физическим методам исследования измерений поверхности материалов при воздействии потоков активных частиц, в частности, в плазмохимии, радиационной химии и может быть применено в машинои приборостроении и в особенности при отработке аэрокосмической техники. Образец материала экспонируют в продуктах фоторазложения С02 или смеси СОз + №0 при воздействии вакуумного ультрафиолетового излучения в диапазоне 105-220 нм. Способ повышает достоверность и надежность результатов измерений путем устранения побочных химических реакций исследуемого материала с газовой средой. 1 табл. (Л С

G. La

atom

surf

Aего

1985

И

C ()

"Mo ния" и Институт энергетических пробле химической физики AH СССР (72),Е. Скурат, О.Н. Майоров, А.В. Милинчук, Ю.И. Дорофеев, А.И. Перцин и М.М, lope ова (56) апсе 0.A„Curgo M.Mc., Hastert R., Katz

IVf., $chsmer J.P, Atomic oxygen-resustant ро!убег for use in the low earth orbit". Proc, 24th intersoc. Energy Conevs, Eng. Conf.

Was ington D,С., August. 1989, ч,6, N V, 1989 р.2651 — 2655.

ingh B„Amoie L.J., Saylor M., Racette

oratory Simulation of Low Earth orbital с oxygen Interaction with spacecraft

ces. AIAA — 85-0477, AIAA 23 rd расе Sciences Meeting. January 14-17, Reno, Nevada, методам исследования измерений поверхности материалов при воздействии потоков активных частиц, в частности, в плэзмохимии, радиационной химии и может быть применено в машино- и приборостроении и в особенности при отработке аэрокосмической техники. Образец материала экспонируют в продуктах фоторазложения С02 или смеси С02+ М20 при воздействии вакуумного ультрафиолетового излучения в диапазоне 105 — 220 нм, Способ повышает достоверность и надежность результатов измерений путем устранения побочных химических реакций исследуемого материала с газовой средой, 1 табл. мето ност акти мии, прим в осо ской сти м кисло реак ся ат род и кисло зобретение относится к физическим ам исследования изменений поверхматериалов при воздействии потоков ных чэстик, в чэстности, В плэзмохирадиационной химии и может быть нено в машино- и приборостроении и енности при отработке аэрокосмичеехники.

Известен способ определения стойкотериалов к воздействию атомарного ода: образец материала помещают в ионную камеру; в которой генерируетмарный кислород. Атомарный кислолучают диссоциацией газообразного ода в высокочастотном разряде. Образец материала экспонируют в реакционной камере заданное время, после чего изучают изменения поверхностного слоя образца методом рентгеновской фотоэлект- ронной спектроскопии (РФЗС). Зная характеристики высокочастотного разряда и давление газообразного кислорода, можно определить количество атомарного кислорода, генерируемого в камере, его плотность и суммарный поток атомарного кислорода, воздействующий на поверхность образца.

Данный способ обладает тем недостатком, что при диссоциации кислорода образуется химически активная смесь

1793335 полосах поглощения, причем окислы подбирают так, чтобы их фотодиссоциация происходила на атом О и фрагмент, не взаимодействующий с исследуемым материалом, В качестве газообразного окисла используют С02, а в его фоторазложение производят под действием светового излучения в диапазоне 105-175 нм, 10 Генерирование атомарного кислорода производят также посредством фоторазложения смеси NzO u COz. Фоторазложение смеси производят воздействием светового излучения в диапазоне 105 — 220 нм, Для снижения энергетических затрат фоторазложение газообразных окислов производят монохроматическим светом резонансных ламп в вакуумной ультрафиолетовой области спектра, соответствующей спектрам фоторазложения окислов.

В качестве другого источника монохроматического света можно использовать лазерный луч с длиной волны в области фотопоглощения окислов.

Фотодиссоци а ция NzO и COz и роисходит соответственно íà Nz+ О и на СО,+ О, т, е. образование Oz в первичном процессе отсутствует, Полученные в этих процессах атомы кислорода диффундируют через газовую фазу к стенкам реактора, на которых размещена исследуемая полимерная пленка и реагируют с ее поверхностью. Другие продукты фоторазложения газообразных окислов — Nz u CO. а также сами эти окислы

NzO и С02 не взаимодействуют с полимерными материалами и другими конструкционными материалами. Использование вакуумного УФ излучения для фотодиссоциации М20 и С02 существенно по ряду при40 чин, Во-первых, именно в области коротких длин волн лежат интенсивные полосы поглощения этих молекул, так что возможно достаточно полное поглощение энергии

ВУФ излучения в газовой фазе, Во-вторых, 45 вследствие первой причины появляется возможность работать при сравнительно низких давлениях этих газов. Это необходимо для того, чтобы избежать образования молекулярного кислорода Oz во вторичных три50 молекулярных процессах, эффективность которых пропорциональна полному давлению в газовой фазе, В-третьих, квантовые выходы фотодиссоциации этих газов близки к единице, В-четвертых, монохроматикислородная плазма, в которой помимо атомарного кислорода содержатся другие

"загрязняющие"частицы кислорода (молекулярный кислород, в основном триплетном и в метастабильных электронно-возбужденных синглетных состояниях, озон, ионы кислорода и др.), которые не являются химически инертными ни к продуктам взаимодействия атомарного кислорода с материалом, ни к самому материалу.

Результаты исследований методом

РФЗС поверхности полиимидных пленок типа "Каптон", подвергнутых воздействию орбитальным атомарным кислородом (т. е. потоком атомов кислорода, присутствующих на высотах 150-650 км, и в результате движения космического аппарата (KA) со скоростью 8 км/с, имеющим интенсивность

N х V, где N — концентрация атомов кислорода на высоте движения КА; Ч вЂ” скорость движения КА, равная 8 км/с) показывают увеличение содержания атомов кислорода в поверхностном слое с 17 до 22 Д. При воздействии на поверхность полиимидной пленки атомарного кислорода, полученного из разряда в молекулярном кислороде, содержание атомов О в поверхностном слое становится равным 28-33%. Это расхождение объясняется тем, что в последнем слуI чае на поверхность полиимида наряду с атомарным кислородом действует молекулярный кислород, который реагирует со свободными радикалами, созданными при. соударении с поверхностью атомов кислорода, Поэтому для правильного моделирования воздействия потоков атомарного кислорода необходимо исключить воздействие молекулярного кислорода.

В качестве прототипа взят способ определения стойкости материалов к атомарному кислороду, в котором источником атомарного кислорода служит УФ-фотодиссоциация молекулярного кислорода, нахо дящегося в реакционной камере, Как и в первом способе, образец экспонируется в реакционной камере в продуктах фотодиссоциации, Однако данный способ обладает теми же недостатками, что и предыдущие способы, Целью изобретения является повышение достоверности и результатов измерений.

Способ, заключающийся в том. что образец исследуемого материала помещают в 5 поток атомарного кислорода, генерирова.ние атомарного KL;cëoðîäà производят пос редством фото разложен ия газообразных окислов, не взаимодействующих с материалом, под действием световгл о излучения в ческое излучение лампы обеспечивает легкость актинометрических измерений, Со схемой фотопревращений И20 и COz под действием вакуумного ультрафиолетового света можно ознакомиться в известных способах.

1793335

Использование светового излучения с линой волны меньше 105 нм нецелесооб,азно, так как начинается ионизация газа од действием излучения и соответственно оявятся загрязняющие добавки в реакционной смеси, образующейся при фоторазл жении, Световое излучение с длинами в лн больше 220 нм для И20 и 175 нм для

02 не вызывает фоторазложения этих газ в. Наиболее целесообразно использовать и и фоторазложении окислов монохроматич ский свет резонансных ламп в области в куумного ультрафиолета или лазерный л ч с длиной волны в области фотопоглощен я.

Ниже приводятся конкретные примеры в полнения заявленного способа. Примеры и ясняются таблицей, в которой приведены д нные элементного состава (в атомарных поверхности полиимидэ при различных в здействиях, и чертежом, нэ котором прив дены РФЗ-спектры поверхности полии ида после тех же воздействий.

Пример 1. Полиимидная пленка (на чертеже и в таблице обозначена под N 3) эк понировалась в реакционной камере. заи лненной газообразным СОг при давлении

3 торр в течение 70 мин. COg разлагалось св том с длиной волны 147 нм резонансной ла пой КсР 2À нэ СО и О. Элементное соде жание в поверхностном слое полиимида получено методом РФЗС. Данные приведень в таблице и на чертеже.

: fl р и м е р 2. Полиимидная пленка (на че теже и в таблице обозначена под N. 4) эк понировалась в реакционной камере, запо ненной газообразным COz при давлении

7, 5 торр в течение 42 мин, СО2 разлагалось св том с длиной волны 147 нм резонансной ла пой KcP — 2А на СО и О. Элементное соде жание в поверхностном слое полиимида по, учено методом РФЗС. Данные приведены, в таблице и на чертеже. Как видно из ! та лицы, данные. отличаются незначительно и близки к орбитальным данным.

Пример 3, Полиимидная пленка (на чертеже и в таблице обозначена под N. 5)

I экспонировалась в реакционной камере, эа- !

Формула изобретения

Способ исследования взаимодействия это арного кислорода с поверхностью матер ала. по которому экспонируют образец

Мсс едуемого материала в потоке атомарного кислорода, получаемого из газовой среды пут м фотораэложения ее ультрафиолетовым излучением, отличающийся тем, полненной газообразной смесью СО2+ N>O при давлении 8,1 торр в течение 45 мин при соотношении СО2 к N20 10; 1. COz u NzO разлагались светом с длиной волны 147 нм

5 резонансной лампой КсР-2А на СО, Nz и О.

Элементное содержание в поверхностном слое полиимида получено методом РФЗС, Данные приведены в таблице и на чертеже.

Как видно из таблицы, они близки к орби10 тальным данным.

Пример 4. Полиимидная пленка (в таблице обозначена под М 7) экспонировалась в реакционной камере, заполненной газообразной смесью C02+ NzO при давле15 нии 8,5 торр в течение 90 мин при соотношении СО2 к N20 25: 1, С02 и N20 разлагались светом с длиной волны 147 нм резонансной лампой КсР— 2А на СО, N2 и О.

Элементное содержание B поверхностном

20 слое полиимида получено методом РФЗС, Данные совпали с предыдущим образцом.

Как видно из таблицы, они близки к орбитальным данным.

Варьируя содержание NzO u COz в сме25 си можно повысить точность моделирования орбитальных условий в зависимости от высоты полета. Для орбиты с высотой 600700 км целесообразно испольэовать чистый

COz, для орбиты 200 — 300 км лучше исполь30 зовать смеси СОг и NzO.

Для сопоставления в таблице и на чертеже приведены так же данные по элементному содержанию в поверхностном слое

35 полиимида до экспонирования и при иных методах воздействия: а) исходный полиимид М 1; б) в условиях. орбитального полета (3) — Nz; в) при воздействии кислородной плазмы — N 6, 40 Сопоставление экспериментальных данных, полученных заявленным способом, с данными орбитального полета показывает. хорошее их совпадение. Это подтверждает, что заявленный способ более точно модели45 рует взаимодействие атомарного кислорода с полимерными материалами, что повышает достоверность и надежность результатов измерений. что, с целью повышения достоверности при исследовании взаимодействия атомарного кислорода с полиимидными пленками, в качестве газовой среды используют газообразный С02 или смесь С02 и К20 и фоторазложение осуществляют на спектрах фотопоглощения газовой фазы в диапазоне

105-220 нм.

1793335

Характеристики Рст)-спектров каптона при раэлнчных воэдействилх ат.Ф

Вс, эВ ат.2 ат.Ф

Отнесенме компонент ат.Ф

17 2(3) Исходный полиинмд Р 1

Исходне1 полиинид (3) 4

32,2

24,3

26,4

15,5

12,6

1,3 (Ь4,2)

29

Cis

37

32

С-С ароматич.

С-О вроиатич

С О-С (ORB) 9.8

3,2 (7u, О)

Ois

532,5

401, 08 дродолэммие таблицы

1- Г

ЗЬ,З

34,4

23. 3 !

2,5

2,2 (72,5)

21,1

Ь,4

С-С ароматич.

С-О ароиати«.

37,0

285,3

С)э Сl

28Ь, 3

269, 2

291,8

20,1

72,0

С2

С5

532,5

40 l, 08

0 is

5,1 э

Составитель В.Скурат

Техред M. Ìoðãåíòàë

Корректор H,Mèã. окова

Редактор Т.Иванова

Заказ 500 Тираж Подписное

ВНИИГ1И Государственного комитета по изобретениям и огкрь(тиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, уп.Гага(1!на, 101

Сl 285,3

С2 286,3

СЗ 288

С4 289,2

С5 231,8

12,7

1,7 (72, 7)

20,5

Ь,Ь

4 (74) !

13,7

1,5

- (72,3)

22,Ь

12

2.3 (70,8)

22,2

ЗЬ,4

23,3

12,0

1,7 (73,4)

20,4

6,2