陶瓷基分子吸附器的航天器污染控制性能試驗研究

劉小布，院小雪，臧衛國，楊東升，劉宇明，姜海富

（1. 航天恒星科技有限公司，北京 100086； 2. 北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在熱真空試驗和在軌運行時處于真空冷熱交變的環境中，其上非金屬材料釋放的有機分子可能會運動、碰撞并沉積在航天器的光學部件、太陽電池板和熱控涂層等污染敏感部組件表面，甚至通過“爬油”等方式進入航天器內部。近年來，為滿足長壽命高可靠航天器發展的需求，提高航天器光學系統和熱控系統的性能，在加強地面污染控制的同時，對航天器在軌污染監測與控制方面也開展了相關的研究工作。

北京衛星環境工程研究所提出一種新型的航天器污染控制手段——利用多孔分子篩材料的吸附性能來降低航天器一定區域內的污染水平。但分子篩是粉末材料，無力學支撐性能，因此，用堇青石做基底、分子篩做吸附劑的陶瓷基分子吸附器應運而生。該吸附器使用方便、體積小、質量小、功耗低，適于航天器污染敏感器件的污染控制。

本文以航天器常用灰皮電纜作為污染源，開展分子篩材料和陶瓷基分子吸附器對航天器有機分子污染物的吸附性能試驗研究，評估陶瓷基分子吸附器的污染控制效果。

1 陶瓷基分子吸附器簡介

陶瓷基分子吸附器由吸附劑材料和基底材料構成。吸附劑材料的選擇要考慮其對有機分子污染物的吸附性能，基底材料的選擇要考慮其和吸附劑的結合力及影響。

北京衛星環境工程研究所的李娜等通過研究Naβ、NaY、13X 這3 種分子篩材料的吸附能力，確定航天器有機分子污染物的最優吸附劑為13X分子篩。圖1 為合成的13X 分子篩顯微形貌。

圖1 13X 分子篩顯微形貌Fig. 1 The microstructure of 13X molecular sieve

堇青石（圖2）是一種新型結構陶瓷，其結構穩定、流體阻力小、膨脹系數小，是優良的基底材料。

圖2 堇青石外觀Fig. 2 The appearance of cordierite

目前常用的實現沸石分子篩在堇青石表面固載化的方式包括原位水熱合成法、直接涂覆法、涂覆加堿化處理法、鋁膠黏結工藝以及硅膠黏結工藝。通過一系列分子篩結合力和負載率試驗發現，硅膠黏結工藝得到的分子吸附器具備更好的均勻致密結合力，因此本文選用硅膠黏結工藝制備的陶瓷基分子吸附器（圖3）進行航天器污染控制試驗。

圖3 陶瓷基分子吸附器實物Fig. 3 Molecular adsorber on ceramic substrate

2 分子吸附器的污染控制性能試驗

分子吸附器的污染控制性能取決于吸附劑的吸附性能，分子吸附器對航天器分子污染物的污染控制性能試驗包括2 部分：1）分子篩吸附和脫附特性試驗，其中分子篩脫附特性試驗是為了驗證其捕獲的污染物分子是否會脫附造成二次污染；2）陶瓷基分子吸附器的吸附性能試驗，驗證分子吸附器的工程應用價值。

2.1 分子篩吸附和脫附特性試驗

采用對比驗證的方式對分子篩的吸附和脫附特性進行測試。圖4 為試驗所用的13X 分子篩和對比用的采集板。

圖4 試驗用分子篩和采集板Fig. 4 The molecular sieve and collection board use for the experiment

試驗在材料真空放氣篩選設備（圖5）中進行。該設備包括4 套溫度控制系統、1 套冷卻控制系統、真空抽氣系統以及真空測試系統，集成了24 個材料放氣污染沉積測試單元，每套測試單元由材料放氣室、放氣通道擋板單元和污染沉積單元組成。該設備的真空度可優于7×10Pa，材料加熱溫度范圍為50～150 ℃，沉積溫度控制在25 ℃±1 ℃。

圖5 材料真空放氣篩選設備Fig. 5 The material vacuum outgassing screening equipment

試驗的污染源采用航天器用灰皮電纜，放置于材料真空放氣篩選設備的材料放氣污染沉積測試單元中。任選3 個材料放氣污染沉積測試單元作為1#、2#、3#放氣室，灰皮電纜、分子篩及采集板在試驗前后的稱重采用電子天平，其質量測量靈敏度為2×10g。

試驗的具體實施過程如下：

1）電纜、分子篩和采集板分別稱重后，電纜和分子篩置于1#放氣室，電纜和采集板置于2#放氣室，分子篩置于3#放氣室；

2）放氣室加熱到125 ℃，吸附24 h；

3）取出電纜、分子篩和采集板，分別稱重；

4）將污染過的分子篩和采集板重新放進放氣室真空烘烤2 h 后取出，分別稱重。

試驗數據見表1 所示。可以看到：經過24 h 吸附試驗后，分子篩和采集板都能吸附污染物分子；經過真空烘烤后，采集板吸附的污染物分子大部分都脫附了，而分子篩吸附的污染物分子大部分仍處于被捕獲狀態。說明分子篩可以起到完全吸附污染物分子的作用，能夠有效控制污染。

表1 13X 分子篩吸附及脫附試驗數據Table 1 The absorbing and desorption test data of 13X molecular sieves單位：mg

2.2 陶瓷基分子吸附器吸附性能試驗

陶瓷基分子吸附器吸附性能試驗和分子篩材料特性試驗采用同一真空設備進行，試驗狀態如圖6所示。為驗證分子吸附器能否工程應用于航天器的污染控制，特選擇航天器常用灰皮電纜作為污染放氣源。因分子吸附器尺寸過大（直徑92.4 mm），試驗時為其專門制作了便于穩固放置的支架。

圖6 陶瓷基分子吸附器吸附性能試驗Fig. 6 The adsorption performance test of ceramic-based molecular adsorber

分子吸附器的吸附性能較強，因此試驗前需要將其放置在預燒125 ℃真空容器中至少4 h，以去除樣品自身吸附的水分、其他可揮發物質及樣品中易脫落的部分，將預燒之后的樣品再次稱重、備用。

試驗具體過程為：

1）將污染物按一定升溫速率加熱至125 ℃，使分子吸附器暴露在污染環境中吸附污染物分子24 h；

2）將污染物及分子吸附器依次取出稱重，并計算吸附器的吸附量。

試驗數據見表2 所示。可以看到，分子吸附器的吸附能力在3.1×10～3.4×10g/cm之間，可實現對航天器用非金屬材料放氣產物的吸附作用。

表2 分子吸附器吸附試驗數據Table 2 Test data of the molecular adsorber

3 結束語

本文以航天器用灰皮電纜釋放出的鄰苯二甲酸酯類污染物作為污染源，試驗研究了13X 分子篩和陶瓷基分子吸附器在真空環境下對污染物的吸附能力，以驗證這種新型污染控制手段能否完全捕獲污染物分子。結果表明：分子吸附器具備有機分子污染物的吸附能力，并且不易脫附，可起到污染控制的作用。后續可加強分子吸附器的工程化應用，服務于航天器地面試驗和在軌運行時污染敏感器件的污染控制。