模擬月塵顆粒真空輻射條件下粘附力測試技術(shù)研究

王志浩，白羽，田東波，李蔓

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

美國在1969—1972年間先后完成了6次載人探月任務(wù)，所有到達過月面的宇航員都發(fā)現(xiàn)月塵帶來的麻煩遠遠超出了想象。其中最顯著的問題是月塵顆粒具有超強的粘附性，附著并污染表面，造成熱控系統(tǒng)故障、密封失效和機構(gòu)卡死，磨損材料以及產(chǎn)生放電干擾。研究月塵粘附特性，確定月塵顆粒與材料間的粘附力，是研究月面月塵效應(yīng)進而采取防護措施的基礎(chǔ)性關(guān)鍵問題。

國外研究表明，月表的高真空度和輻射環(huán)境是導(dǎo)致月塵具有極強粘附性的重要原因。Adrienne Dove等[1]分析了月塵顆粒受到的范徳華力和靜電力，認為表面能、粗糙度、力學(xué)和電學(xué)特性是影響顆粒粘附的主導(dǎo)因素。Otis R.Walton[2]較詳細地分析了月塵的粘附特性，從月塵物理特性入手分析了月面條件下作用于顆粒的基本力，認為表面能相關(guān)的粘附力（范徳華力）以及靜電力是構(gòu)成顆粒粘附力最重要的基本力。Cynthia M.Katzan等[3]詳細分析了月面自然及人為活動條件下月塵輸運及沉積的量，在此基礎(chǔ)上分析了輻射器及太陽電池在月塵粘附條件下的遮蔽效應(yīng)。Stephen Berkebile等[4]研究了真空條件下火山玻璃與航天器材料之間的粘附力，認為粘附性主要是由于靜電吸引和較高表面能作用引起。

月塵的粘附性一方面是由于月塵顆粒自身的物理特性（粒徑、表面形貌和低電導(dǎo)性），另一方面是由于月表特殊的環(huán)境，主要是高真空和輻射環(huán)境，導(dǎo)致月塵累積并保持電荷而產(chǎn)生的。因此在地面測試模擬月塵顆粒需要考慮真空輻射環(huán)境，只有在真空輻射環(huán)境下測試顆粒粘附力，才能較為接近地反映月表月塵粘附的特性。

1 顆粒粘附力測試技術(shù)對比分析

為研究適用于模擬月塵顆粒粘附力測試方法，分析調(diào)研了大氣條件下顆粒物粘附力的測試方法，包括原子力顯微鏡（AFM）測試方法、離心測試方法、靜電測試方法、振動分離測試方法、激光測試方法。在此基礎(chǔ)上分析確定上述測試方法是否適用于真空輻射環(huán)境。

1）AFM測試方法。基本的測試原理是將顆粒固定在AFM的探針上，精確控制顆粒與平板材料之間的距離，受粘附力的作用，探針懸臂會發(fā)生形變，利用激光測試的方式可以測量探針懸臂的偏移量。AFM測試獲得力與位移的變化曲線如圖1所示[5]。文獻[6]利用AFM測試方法測試了飛灰顆粒與石墨表面間粘附力的變化規(guī)律，為此特意對探針進行了處理：利用一根玻璃微針將環(huán)氧樹脂膠粘到AFM原有金字塔針尖靠內(nèi)的一側(cè)，然后用另一根微針粘取事先分散好的飛灰顆粒，將其放置到膠上。

圖1 使用AFM顆粒附著力測量示意Fig.1 Schematic view of grain adhesion force test using AFM

2）離心測試方法。基本原理是使顆粒及所粘附的平面材料一起旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，材料表面粘附的顆粒會受到離心力的作用。隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增大，離心力也隨之增大，當(dāng)離心力能夠滿足克服粘附力脫離時，粘附顆粒會脫離甩出，根據(jù)此時的轉(zhuǎn)速可近似計算得到顆粒粘附力。文獻[7]給出了一種離心法測試顆粒粘附力的測試裝置，如圖2所示。該試驗裝置包括連接筒（A）、基底材料（B，表面粘附顆粒物質(zhì)）和分離顆粒限位筒。試驗時，逐漸提高轉(zhuǎn)速，到達臨界值時，基底材料上的顆粒會脫離并掉落進入分離顆粒限位筒中。

圖2 離心測試裝置Fig.2 Device of centrifuge test

3）靜電測試方法。基本原理是將帶電顆粒置于均勻電場中，根據(jù)顆粒帶電極性合理設(shè)置電場極性，使顆粒受到垂直向上的電場力。逐漸增大電場強度到一定值，使顆粒所受電場力能夠克服重力和粘附力，此時顆粒垂直向上運動。文獻[8]給出了一種靜電法測試顆粒粘附力的測試裝置，如圖3所示。平行電極板提供均勻電場，表面粘附顆粒的材料水平放置于下電極上，逐漸增加兩極板間電壓到臨界值時，顆粒克服粘附作用，材料向上極板運動。眾多顆粒運動產(chǎn)生的電流的流動情況可以通過電流計測量，微弱的電流信號可通過放大調(diào)理電路最終得到顆粒黏附力。

圖3 靜電測試裝置Fig.3 Device of electrostatic test

4）振動分離測試方法。基本原理是控制顆粒及所粘附的平面材料一起做加速運動，當(dāng)加速度達到某一臨界值時，顆粒會由于慣性脫離平板材料，根據(jù)此時的加速情況可間接衡量顆粒平板間的粘附力。文獻[9]給出了一種振動分離法測試顆粒粘附力的測試系統(tǒng)，如圖4所示。該試驗系統(tǒng)包括測試試樣（表面粘附有顆粒的平板材料）、振動臺、加速度測試裝置、攝錄裝置及其他輔助設(shè)備。試驗時通過計算機控制振動臺做加速運動，同時利用攝錄裝置記錄顆粒的運動情況。試驗完成后，分析處理圖像資料獲得顆粒脫離基底的準(zhǔn)確時間，再查找確認該時刻振臺的加速度即可計算得到顆粒粘附力。

圖4 振動分離測試系統(tǒng)Fig.4 Schematic view of vibration detachment system

5）激光測試方法。基本原理是使用脈沖激光照射顆粒，顆粒受到瞬時的光壓力。當(dāng)光壓力能夠克服顆粒粘附力時，顆粒會發(fā)生運動，可根據(jù)顆粒運動時刻的脈沖激光光壓來間接衡量顆粒粘附力。文獻[10]給出了一種激光測試顆粒粘附力的測試系統(tǒng)，如圖5所示。試驗系統(tǒng)包括激光器、樣品盒（內(nèi)有玻璃材質(zhì)的球形顆粒）、攝錄顯微系統(tǒng)、激光能量計及輔助設(shè)備組成。試驗時從激光器出來的脈沖光入射到樣品上，產(chǎn)生的強大光壓可以克服樣品和底面的粘附力，光路中的石英玻璃片分出一束光，用來監(jiān)測脈沖光的能量。在樣品盒上方用一物鏡配合CCD組成一套顯微系統(tǒng)，并連接到計算機以監(jiān)測襯底表面樣品的分布情況。

圖5 激光測試系統(tǒng)Fig.5 Schematic view of laser test system

對上述測試方法是否適用于真空輻射環(huán)境進行總結(jié)分析，其中AFM測試法需在懸臂梁尖端固定顆粒，工藝要求高，顆粒與平面材料間的距離為設(shè)定值，不能反映顆粒與材料接觸的真實情況；另外AFM為成品儀器設(shè)備，很難在測試的同時提供真空輻射環(huán)境。離心法在高速旋轉(zhuǎn)的條件下記錄和判斷顆粒的脫離較困難，所需處理數(shù)據(jù)量大，對于粒徑太小的顆粒，離心力可能不足以克服粘附力作用，另外離心法所用設(shè)備存在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，在真空條件下無法提供全向輻射。采用靜電法測試粘附力時，被測顆粒必須帶電，文獻[8]的測試系統(tǒng)中的電流計僅能測量運動電荷攜帶的部分電荷，且顆粒帶電量未知，無法僅根據(jù)電壓值解算粘附力。振動分離法對于粒徑太小的顆粒，加速慣性可能不足以克服粘附力作用，也很難在真空輻射條件下實施。激光測試法對光路調(diào)節(jié)要求較高，同樣難以在真空輻射條件下實施。

通過對上述測試方法的分析，發(fā)現(xiàn)已有測試手段并不適用于真空輻射條件下的顆粒粘附力測試，因此需有針對性地開展研究工作。

2 基于靜電場下顆粒運動的粘附力測試方法

2.1 測試原理

鑒于靜電法測試顆粒粘附力的主要難點是無法確定顆粒帶電電量Q，因此需要通過必要的方法，聯(lián)立求解粘附力Fa和Q。文獻[11]給出了一種基于靜電場條件下顆粒運動的粘附力求解方法，基本原理如圖6所示。

圖6 測試原理Fig.6 Principle of the test

如圖6所示，將一個帶電量為q的顆粒置于一對平行板電極的下電極上，在上下電極之間加載電壓產(chǎn)生均勻電場E，則顆粒受到垂直向上的電場力FE，此外顆粒還受到重力G和粘附力Fa的作用，受力情況如圖6中實線顆粒所示。緩慢提升加載電場，則必然存在某個時刻t0，此時電場力FE等于粘附力Fa與顆粒重力G之和。t0時刻之后，由于電場力大于粘附力，顆粒向上運動。隨著顆粒與平板材料的脫離，粘附力急劇減小，可以認為此時顆粒僅受重力G和電場力FE的作用，做恒定加速度運動，受力情況如圖6中虛線顆粒所示。假設(shè)在t0+t1時刻，顆粒運動至上極板位置，由于兩個極板之間的距離d衡定，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)定律可計算得出顆粒帶電量q和粘附力Fa，如式（1），（2）所示。

式中：m為顆粒質(zhì)量；U為t0時刻的外加電壓。

由式（1）和式（2）可知，m，d，G值很容易獲得，U為外加電壓值，可直接讀取，因此測試的關(guān)鍵就變成了對顆粒運動時間t1的測量。擬通過高速攝像機記錄顆粒的運動過程，從中提取并計算顆粒的運動時間t1。

2.2 測試技術(shù)方案

利用北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的月塵沉積與吸附試驗系統(tǒng)，配合真空內(nèi)顆粒粘附力測試裝置進行測試，試驗系統(tǒng)如圖8所示。試驗系統(tǒng)由真空容器、真空測量裝置、高壓電源、高速攝錄系統(tǒng)、輻射源及配套電源、樣品臺及測試裝置組成。試驗時將測試裝置放置在真空容器內(nèi)的樣品臺上，使用輻射源輻照測試裝置內(nèi)的模擬月塵顆粒，逐漸調(diào)高測試裝置電壓，利用觀察窗外的高速攝錄系統(tǒng)拍攝顆粒的運動情況。

圖7 測試系統(tǒng)Fig.7 Schematic view of the test system

圖8 真空輻射條件下顆粒粘附力測試裝置Fig.8 Device schematic of grain adhesion force test in vacuum and radiation conditions

設(shè)計的真空內(nèi)測試裝置如圖8所示，試驗裝置由上電極板、下電極板、載塵板、支撐柱以及電極接線端子組成。支撐柱選用絕緣材料，真空室外的高壓電源通過穿真空法蘭連接在上下電極接線端子上。需要說明的是，如果要測試的平面材料為導(dǎo)體，則直接使用該導(dǎo)體材料按照指定的工藝加工下電極。如果需要測試的平板材料為絕緣體，則需要緊貼絕緣體放置板狀導(dǎo)體電極，此時計算電場大小時需考慮電介質(zhì)厚度。

測試基本過程：首先將顆粒試樣放置在下電極上/載塵板上，連接真空容器內(nèi)外線纜之后關(guān)閉真空容器，打開真空獲取裝置直到指定真空度；調(diào)節(jié)紫輻射源以指定的方式使顆粒試樣帶電；以非常緩慢的速度調(diào)高壓電源，同時開啟高速攝錄裝置進行拍照或者攝像；記錄顆粒發(fā)生運動時刻的電壓U，根據(jù)捕捉到的顆粒運動圖像計算顆粒的運動加速度，根據(jù)式（1）和式（2）即可得顆粒平面材料間的粘附力以及顆粒荷電電量。

3 結(jié)語

針對真空輻射條件下測試顆粒粘附力的需求，分析調(diào)研了5種大氣條件下顆粒物粘附力的測試方法，對其在真空輻射下條件下的適用性進行了討論。分析結(jié)果表明，現(xiàn)有測試方法并不適用于模擬月塵顆粒的粘附力測試。文中設(shè)計了基于真空輻射條件下顆粒物運動的粘附力測試方法，能夠較為簡便地給出顆粒粘附力和帶電量的數(shù)值。結(jié)合測試特點，設(shè)計了初步的測試方案，給出了試驗系統(tǒng)和真空內(nèi)測試裝置的初步設(shè)計，后續(xù)將開展進一步的分析測試工作。

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