空間太陽近紫外輻照對ACR-1白漆表面導電性能的研究

牟永強，沈自才

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

空間太陽近紫外輻照對ACR-1白漆表面導電性能的研究

牟永強，沈自才

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

通過試驗研究了近紫外輻照對ACR-1白漆電學性能的影響，并用X射線光電子能譜儀和四極質譜儀對ACR-1白漆的組分和狀態等進行了分析，進而對其電學性能變化的機理進行了分析。研究發現：ACR-1白漆的表面電阻率隨著近紫外輻照度的增加而呈指數規律減小，并在大氣環境中存在“回復”效應；氧化鋅的分解、吸附氧的減少和氧空位的增多是近紫外輻照后ACR-1白漆表面電阻率減小的主要原因。

近紫外輻照；防靜電；熱控涂層；電學性能

0 引言

熱控涂層是航天器熱控系統的重要組成部分，是利用涂層改變航天器的表面熱物理性質，以便在輻射熱交換中有效地控制航天器的溫度，使之在內外熱交換過程中儀器、設備的工作溫度不超過或低于允許范圍，以保證人造天體的正常工作環境。其原理是調節物體表面的太陽吸收比αs和紅外發射率εh來控制物體的熱平衡[1]。

地球同步軌道（GEO）環境中存在的地磁亞暴環境有嚴重的充放電效應，極地軌道的沉降電子會造成電荷在衛星表面熱控涂層上積累，當超過擊穿閾值時，衛星表面將發生放電，這將對衛星產生極大的破壞作用[2]。由于衛星外表面大部分被用于溫控的熱控涂層所覆蓋，所以可以通過提高熱控涂層的導電性能來達到防靜電的目的，如在鏡反射熱控涂層外表面鍍一層氧化銦錫透明導電薄膜、在涂料型熱控涂層中添加導電組分等。具有導電性能熱控涂層也被稱為防靜電熱控涂層。

ACR-1白漆是一種新型的白色防靜電涂層，采用表面包覆工藝將氧化鋅分散于含有重金屬離子的水溶液中，經過濾烘干后在一定的溫度下燒結，得到防靜電的氧化鋅顏料；然后按一定的顏基比加入AC丙烯酸樹脂溶液和溶劑，采用球磨工藝將涂料的細度研磨后噴涂到衛星天線等表面上。因此具有較強的結合力和可修補性，適于大面積噴涂[3]。

試驗研究了，太陽近紫外輻照對防靜電ACR-1白漆的電學性能的影響，并對其性能退化的原因和機理進行了研究。

1 輻照試驗

試驗是在北京衛星環境工程研究所的空間綜合環境設備上進行。試驗所用近紫外源為汞氙燈光源，利用太陽模擬器輻照裝置，具體試驗參數如表1所列。

表1 真空近紫外輻照試驗參數表

表面電阻率采用原位測量[4]，裝置測量原理如圖1所示。用GENESIS 60S型X射線光電子能譜儀（XPS）對ACR-1白漆的組分進行了分析，用TSPTT 200型四極質譜儀對輻照前后的涂層放氣情況進行了研究。

圖1 表面電阻率原位測量原理圖

2 試驗結果及分析

2.1 表面顏色

將輻照前后的ACR-1白漆的表面顏色進行對比發現，近紫外輻照500 ESH后，白漆表面顏色由白色變為淡黃色。

2.2 電學性能分析

ACR-1白漆的初始表面電阻率（SR）為5.3× 109Ω/□。在不同近紫外曝輻量下，對ACR-1白漆的表面電阻率進行原位測量，結果如表2所列。在近紫外輻照500 ESH后，分別在7.6×10-4Pa、59 Pa、大氣狀態和在大氣狀態下40 min后對ACR-1白漆進行表面電阻率測試，試驗結果如圖3所示。

表2 不同近紫外曝輻量時ACR-1白漆的表面電阻率

對ACR-1白漆的太陽近紫外輻照表面電阻率進行擬合分析，如圖2所示。其擬合關系為公式（1）。

式中：χ為近紫外曝輻量，ESH；y為表面電阻率，Ω/□。

由圖2及公式（1）可知，ACR-1白漆的表面電阻率隨著近紫外曝輻量的增加而呈指數規律減小，并逐漸趨于穩定。

圖2 ACR-1白漆的近紫外輻照表面電阻率變化

由圖3分析可知，樣品從真空狀態進入大氣狀態后，表面電阻率升高，當在大氣環境中放置一段時間后，表面電阻率進一步升高。

3 機理研究

3.1 質譜分析

為研究空間太陽近紫外輻照對ACR-1白漆電學性能的影響，對ACR-1白漆的近紫外輻照Zn放氣情況進行質譜監測研究，本底和放入ACR-1白漆后的近紫外輻照質譜監測圖譜如圖4和圖5所示。

圖3 ACR-1白漆近紫外輻照后表面電阻率變化

圖4 本底近紫外輻照Zn出氣質譜圖

圖5 ACR-1白漆近紫外輻照Zn出氣質譜圖

3.2 XPS分析

為進一步驗證近紫外輻照后ACR-1白漆中Zn的存在形式，對近紫外輻照前后的ACR-1白漆進行XPS分析，其Zn2p3譜峰圖分別如圖6和圖7所示。

圖7分析可知，Zn2p3譜峰圖中1 021.82/1 021.81表示以Zn的形式存在，其他譜峰均是ZnO的存在形式。因此，近紫外輻照后，以Zn形式存在的百分含量由14.82%增加到22.35%，對應的以ZnO形式存在的Zn的總百分含量由85.18%降低到77.65%。這說明有部分ZnO在近紫外輻照后有O解析出來，這將增加氧空位的含量。

圖6 輻照前ACR-1白漆Zn2p3能譜圖

圖7 近紫外輻照后ACR-1白漆Zn2p3能譜圖

為研究O元素的存在形式對ACR-1白漆電學性能的影響，對近紫外輻照前后ACR-1白漆的O元素進行XPS測試分析，其O1s譜峰分別如圖8和圖9所示。對圖8和圖9分析可以看出，輻照前后薄膜表面的氧的O1s_a峰和O1s_b峰分別對應于缺氧狀態和足氧狀態，缺氧狀態意味著白漆中氧空位的數目。近紫外輻照后，缺氧狀態O1s_a峰面積絕對值增加，這說明氧空位數目增加。

3.3 機理研究

ACR-1白漆之所以具有導電性能，這是由于白漆中的ZnO是一極性半導體，具有纖鋅礦型晶格結構，氧離子以六角密堆方式排列，鋅離子占據了一半四面體的間隙位置，且其排列關系與氧離子相同。由于本征缺陷的存在，使ZnO具有N型電導。

由質譜分析和XPS分析可以知道，在近紫外輻照后，ACR-1白漆內有Zn元素釋放出來，這說明在近紫外輻照下，ACR-1白漆中的ZnO顏料發生分解。ZnO顏料分解方程如公式（2）和（3）。

圖8 輻照前ACR-1白漆O1s能譜圖

圖9 近紫外輻照后ACR-1白漆O1s能譜圖

氧化鋅的分解，使O從材料中游離出來，同時可能產生填隙Zn原子，并造成白漆表面鋅富集，這是在近紫外輻照后，白漆表面顏色由白色變為淡黃色的原因；另一方面，氧化鋅同時也產生自由電子，從而使表面電阻率降低，導電性能增強。

氧化鋅中，正負離子均具有封閉殼層的電子組態，氧化鋅的能帶由O2--滿的2p能級和Zn2+空的4s能級組成。當離子相互靠近形成晶體時，這些能級就形成能帶：O2-滿的2p能級構成價帶，Zn2+空的4s能級構成導帶。氧化鋅中存在著氧空位本征缺陷，氧空位直接同白漆中的載流子濃度數量相關[5-6]。一個氧空位提供2個自由電子并在能帶結構中引入施主雜質能級。在近紫外輻照下，價帶電子獲得能量發生躍遷，部分躍遷的價帶電子到達導帶，成為自由電子，這是近紫外輻照后表面電阻率降低、導電性能變好的另一個原因。

當將近紫外輻照后的ACR-1白漆逐漸回復到大氣狀態中后，ZnO表面將發生對氧的吸附，氧分子將與晶粒表層的電子相結合而帶負電，其反應可用公式（4）和（5）表示：

ZnO表面對氧的吸附將引起其內部自由電子的減少，從而引起ACR-1白漆表面電阻率的增加，導電性能變差。

4 結論

通過試驗研究了空間太陽近紫外輻照對ACR-1導電白漆表面導電性能的影響，經機理分析，可以得出以下結論：

（1）近紫外輻照引起ACR-1白漆中ZnO的分解，白漆表面顏色逐漸加深；

（2）近紫外輻照后ACR-1白漆的導電性能得到改善，其表面電阻率隨著近紫外曝輻量的增加而呈指數規律降低；

（3）ACR-1白漆在近紫外輻照結束至重新暴露大氣過程中存在一定的“回復”效應，其表面電阻率隨著環境氣體壓力和時間的增加而增大；

（4）吸附氧的減少ZnO的分解和氧空位的增多是近紫外輻照后ACR-1白漆表面電阻率降低、導電性能改善的主要原因。

[1]閔桂榮.衛星熱控制技術[M].北京：宇航出版社，1991：138-173.

[2]Garrett H B，Whittlesey A C，Stevens N J.Design guidelines for assessing and controlling spacecraft charging effects[M]. National Aeronautics and Space Administration，Scientific andTechnical Information Branch，1984：2361.

[3]曾一兵，羅正平，李穎，等.防靜電白色熱控涂層的耐空間環境及工藝性能[J].宇航材料工藝，2007，37（6）：21-24.

[4]全國絕緣材料標準化技術委員會，GB1410-1989，固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗方法[S].廣西：桂林電器科學研究所，1990.

[5]FanJCC，GoodenoughJB.X-ray photoemission spectroscopy studies of Sn doped indium oxide films[J].Journal of Applied Physics，1977，48（8）：3524-3531.

[6]陳猛，裴志亮，白雪冬，等.ITO薄膜的XPS和AES研究[J].材料研究學報，2000，14（2）：173-178.

SPACE SOLAR NEAR UV IRRADIATION EFFECT ON THE ELECTRICAL PROPERTY OF ACR-1 WHITE PAINT

MOU Yong-qiang，SHEN Zi-cai
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing100094，China）

In this article，we have test studied space solar near ultraviolet（UV）irradiation effect on the electrical property of ACR-1 white paint，and analyze the component and micromechanism of ACR-1 white paint by X-ray photoelectron spectrograph and quadrupole spectrometre，at last，discussed the electrical property change mechanism of ACR-1 white paint.Conclusion：the surface resistivity of ACR-1 white paint decreases with near ultraviolet irradiation，and has back effect in some extent when it returns in atmosphere.Decompose of ZnO，decrease of adsorb Oxygen and increase of oxygen vacancy are main causation of decrease of surface resistivity ofACR-1 white paint under near ultraviolet radiation.

near ultraviolet irradiation；antistatic；thermal control coating；electrical property

V443文獻識別碼：A

1006-7086（2014）06-0328-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.005

2014-09-15

國家自然科學基金：41174166,51273052

牟永強（1980-），男，山東煙臺人，工程師，從事空間輻射效應及空間碎片超高速撞擊技術研究。

E-mail：mouyongqiang511@163.com