原子状酸素と高分子材料の表面反応:宇宙実験結果とin-situ地上実験結果の比較

原子氧与高分子材料的表面反应：空间与原位地面实验结果对比

• 批准号: 11750787
• 负责人: 田川 雅人
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1999
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1999 至 2000
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-11750787/
• 关键词: 原子状酸素; 低地球軌道; 地上試験; 軌道上試験; ポリイミド; 大気曝露; XPS; 宇宙環境; 高分子材料; 材料劣化; 宇宙実験

本研究は原子状酸素を照射した高分子表面が大気曝露を受けない宇宙空間では実際にどのような状態にあるのかを明らかにする事を研究目標とし、原子状酸素照射後の高分子の表面状態を大気曝露前後で比較し、宇宙実験サンプルへの大気曝露の影響を明らかにしようとするものである。試料としては代表的な宇宙用高分子であるポリイミドを選び、レーザーデトネーション型原子状酸素発生装置を用いて作成した超熱原子状酸素ビームを試料表面に照射し、大気曝露前後での表面状態の変化をX線光電子分光法を用いて検証した。実験の結果、原子状酸素照射後のポリイミド表面は大気曝露を行わない場合には酸素濃度が増大し、またX線光電子スペクトルの形状も照射前と大きく変化したが、大気曝露後は徐々に酸素濃度が減少するとともにスペクトル形状の変化も小さくなり、曝露前の表面状態に戻ってゆくことが明らかになった。ClsX線光電子スペクトルにおいては、大気曝露前にはカルボキシル基に起因するピークが大きく、多量の原子状酸素が化学吸着していることが示された。本実験で得られた大気曝露後のスペクトルは宇宙実験の結果得られているスペクトルと酷似しており、宇宙実験でサンプルを地上に回収後に得られたXPSスペクトルは大気曝露の影響を強く受けており、実際の軌道上での表面状態を反映していないことが明らかになった。また、水晶振動子マイクロバランス上に形成したポリイミド薄膜の質量変化を原子状酸素ビーム照射中にin-situに測定したところ、原子状酸素照射直後には、一旦、質量増加が観測された後に定常的な質量減少が観測された。コンピューターシミュレーションの結果より、90%以上のガス化反応は酸化された表面で生じていることが示唆され、ポリイミド表面の酸化プロセスがLEOにおけるポリイミドのエロージョンを理解する上で重要であることが示された。

这项研究的目的是澄清受到原子氧照射的聚合物表面在没有暴露在大气中的空间中实际存在的状态，目的是比较暴露在大气中之前和之后的条件，并澄清其表面状态。大气暴露对空间实验样品的影响。我们选择了典型的太空聚合物聚酰亚胺作为样品，并用激光爆轰型原子氧发生器产生的超热原子氧束照射样品表面，以研究暴露于大气之前和之后的表面状态的变化。使用X射线光电子能谱进行验证。实验结果显示，未暴露于大气中时，原子氧照射后聚酰亚胺表面的氧浓度有所增加，X射线光电子能谱的形状也较照射前发生了明显变化，但暴露于大气中后，聚酰亚胺表面的氧浓度发生了明显变化。大气中的氧浓度逐渐增加，随着浓度降低，光谱形状的变化也变小，回到曝光前的表面状态。在Cls X射线光电子能谱中，在暴露于大气之前，由于羧基产生的峰很大，这表明大量的原子氧被化学吸附。本实验在大气暴露后获得的光谱与在空间实验中获得的光谱非常相似，并且在空间实验中在地面采集样本后获得的XPS光谱受到大气暴露的强烈影响，这一点已经很清楚。不反映轨道上的实际表面状况。此外，当我们测量在原子氧束照射过程中原位在石英晶体微天平上形成的聚酰亚胺薄膜的质量变化时，我们发现在原子氧照射之后，立即观察到质量增加，然后达到稳定状态。观察到显着的质量损失。计算机模拟结果表明，90%以上的气化反应发生在氧化表面，这表明聚酰亚胺表面的氧化过程对于理解聚酰亚胺在LEO中的侵蚀具有重要意义。

项目成果

田川雅人: "宇宙用材料の耐宇宙環境性に関する研究"宇宙先端技術ワークショップ会議録. NASDA CON-980001. 58-68 (1999)

田川正人：“空间材料的空间环境耐受性研究”空间先进技术研讨会论文集。NASDA CON-980001（1999）。

田川雅人 ほか: "超熱原子線と固体表面の反応ダイナミクス"神戸大学ベンチャー・ビジネス・ラボラトリー年報. Vol.5. 105-108 (2000)

田川正人等：“超热原子束与固体表面之间的反应动力学”神户大学创业商业实验室年度报告第 5 卷 105-108 (2000)。

Kinoshita H., et al.: "The degradation of polyimide films due to the hyperthermal atomic oxygen exposures : in-situ mass loss measurement and effect of air exposures"Proceedings of the 8th International Symposium on Materials in a Space Environment. (in p

Kinoshita H. 等人：“由于高温原子氧暴露而导致的聚酰亚胺薄膜的降解：原位质量损失测量和空气暴露的影响”第八届空间环境材料国际研讨会论文集。

Tagawa M.: "Volume diffusion of atomic oxygen in a-SiO_2 protective coating at various temperatures"Proceedings of the 44th International SAMPE Symposium and Exhibition. Vol.44. 402-411 (1999)

Takawa M.：“不同温度下a-SiO_2保护涂层中原子氧的体积扩散”第44届国际SAMPE研讨会暨展览会论文集。

木之下博: "低フラックス原子状酸素ビームとポリイミド薄膜との表面反応 (1)-反応率の運動エネルギー依存性-"日本航空宇宙学会論文集. Vol.47,No.541. 88-94 (1999)

Hiroshi Kinoshita：“低通量原子氧束与聚酰亚胺薄膜之间的表面反应（1）-反应速率的动能依赖性-”日本航空学会学报第47卷，第88-94期（。 1999）