航天器用Parylene-C涂覆材料空間輻照適用性研究

牛虎 劉泊天 李巖 高鴻 邢焰

（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

0 引言

太陽帆板驅動機構（SADA）作為長壽命大功率航天器能源系統的重要部件，通過驅動太陽帆板旋轉實現對太陽的跟蹤，從而高效地獲取能源并利用導電環完成太陽帆板與航天器主體間的電功率與電信號傳輸［1-3］。功率電刷是SADA 電功率傳輸的主要組件，通過和電纜、電連接器等共同組成SADA 內完整的功率傳輸通道。

為保證功率電刷能夠穩定工作，通常會在其表面噴涂三防保護涂料對其進行完整的絕緣防護，防止在功率傳輸過程中高壓情況下可能會出現間歇的電暈放電現象，保證電功率可靠傳輸，進而延長其使用壽命［4］。對二甲苯二聚體（派瑞林，Parylene）作為一種常用的涂覆材料，它具備化學性質穩定、透明性好以及優異的電絕緣性等優點，在航空航天、電子產品、MEMS 領域有著非常廣闊的應用前景［5-7］。目前，常用的Parylene主要有Parylene-C、Parylene-D 和Parylene-N 三種［8］。其中Parylene-C 因其同時具備優良的電性能、物理性能、耐腐蝕性以及易成膜性［9-10］，已被應用在SADA中的功率電刷上。Parylene-C 粉料通過真空氣相沉積工藝鍍覆于功率電刷鈹青銅材料表面實現對功率電刷的三防，確保電功率的穩定傳輸。

Parylene-C 薄膜作為一種高分子材料，當長期受到空間輻照時，會引起高分子鏈的降解、斷裂或交聯［11-13］，導致薄膜的開裂、變脆，并造成相應功能的退化，最終影響電功率傳輸的可靠性［14］。本文以通過真空氣相沉積法制備的Parylene-C 薄膜及Parylene-C 薄膜-鈹青銅試片為研究對象，對薄膜厚度以及在鈹青銅上附著力等鍍覆工藝性能，薄膜熱性能、電性能以及電子、質子輻照之后相關性能的變化情況和失效機理等進行研究分析，評估Parylene-C薄膜的耐空間輻照能力，擬為Parylene-C 薄膜在SADA組件中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Parylene-C膜、鈹青銅-Parylene-C膜。

1.2 儀器設備

CHY-CB薄膜測厚儀；Vertex 70 V傅里葉紅外光譜儀；STA449F3 同步熱分析儀；ZJC-20 kV 擊穿電壓測試儀；КИФК型空間輻照環境綜合模擬設備。

1.3 Parylene-C薄膜厚度測定

采用薄膜測厚儀進行測定，將載玻片上的Parylene-C 薄膜取下，至少獲取薄膜3 片，測量厚度時需對薄膜的邊緣和中間均進行測量，測量點數不得小于3個點。

1.4 附著力測定

利用1 mm切割間距的劃格刀對Parylene-C 薄膜在鈹青銅試片上的附著力進行測試，測試方法采用GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》中的劃格法，并根據標準中規定對附著力等級進行判定。

1.5 熱性能測試

采用德國耐馳（NETZSCH）公司STA 449F3 型同步熱分析儀在升溫速率10 K/min 條件下測試Parylene-C 薄膜的熱分解溫度。實驗所用樣品的質量約為10 mg，氣氛選用N2，流量控制在50 mL/min，使用Al2O3坩堝，從室溫加熱至900 ℃。

1.6 電性能測試

采用ZJC-20 kV 擊穿電壓測試儀參照QJ 2220.3—1992《涂層電絕緣性能測試方法 工頻下擊穿電壓、擊穿強度、耐電壓的測量方法》中的方法進行薄膜擊穿電壓測試。

1.7 紅外測試

采用Vertex 70 V 傅里葉紅外光譜儀對Parylene-C薄膜和偶聯劑的紅外特征峰進行測試。

1.8 電子、質子輻照

采用КИФК 型空間輻照環境綜合模擬設備對單面鍍Parylene-C 膜的鈹青銅試片進行輻照，電子輻照注量為1×1015、5×1015、1×1016、2.5×1016e/cm2，質子輻照注量為1×1014、5×1014、1×1015、2.5×1015p/cm2。

2 結果與分析

2.1 Parylene-C薄膜厚度

以SADA 電刷組件中刷片為Parylene-C 的應用對象，刷片對Parylene-C 薄膜厚度要求為（17±3）μm和（27±3）μm。通過真空氣相沉積工藝制備了兩種規格的Parylene-C薄膜，厚度如表1和圖1所示。

表1 Parylene-C薄膜厚度測試結果Tab.1 Thickness test results of Parylene-C films

圖1 Parylene-C薄膜厚度分布Fig.1 Thickness distribution of Parylene-C films

測試結果表明Parylene-C 薄膜厚度平均值分別為18.2 和26.0 μm，滿足應用要求［（17±3）μm 和（27±3）μm］。此外，通過對薄膜所有測試點分析可知，（17±3）μm 和（27±3）μm 兩種規格厚度薄膜離散系數分別為2.8%和2.5%，表明所用涂覆工藝比較穩定，可獲得所需不同厚度的涂層。

2.2 附著力

利用真空氣相沉積制備了單面鍍覆Parylene-C薄膜的鈹青銅試片，使用劃格刀具對兩種規格薄膜在鈹青銅上附著力的測試如圖2所示。

圖2 鈹青銅-Parylene-C薄膜劃格試片Fig.2 The cross cut test pieces of beryllium bronze-Parylene-C films

參照GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》中測試及評級方法，對兩規格薄膜附著力的判定結果如表2所示。

表2 兩規格Parylene-C薄膜的附著力測試結果Tab.2 Adhesion test results of two specifications of Parylene-C films

由附著力測試結果可知，兩規格Parylene-C 薄膜在鈹青銅試片上的附著力等級均為1級，表明薄膜與鈹青銅基材黏結性好，Parylene-C 粉料經真空氣相沉積工藝后可較好地附著在鈹青銅表面。

2.3 熱分解溫度

在10 K/min升溫速率條件下，獲得了Parylene-C薄膜的TG曲線，如圖3所示。可看出，Parylene-C薄膜的熱分解主要包括一個階段，在大約453 ℃開始分解（以分解3%計），當溫度達到489 ℃時分解速度達到最快，整個過程降解深度約為69%，在835 ℃時分解結束。

圖3 Parylene-C薄膜TG-DTG曲線Fig.3 TG-DTG curves of Parylene-C film

2.4 擊穿電壓

每種規格薄膜選取5 件在0.5 kV/s 升壓速率條件下的擊穿電壓測試結果如表3和圖4所示。

表3 Parylene-C薄膜擊穿電壓Tab.3 Breakdown voltage of Parylene-C films

圖4 Parylene-C薄膜擊穿電壓Fig.4 Breakdown voltage of Parylene-C films

從表3中可知，所選17 μm薄膜擊穿電壓平均值為3.65 kV，27 μm薄膜擊穿電壓平均值為5.27 kV，隨著膜厚的增加，薄膜擊穿電壓增大，27 μm厚薄膜抗擊穿水平約比17 μm薄膜抗擊穿水平高44%。SADA中電刷組件工作電壓通常在（50～150）V［15］，因此，兩種規格薄膜均可滿足正常環境下的應用要求。

2.5 電子輻照

兩種規格的Parylene-C 薄膜-鈹青銅試片4種注量下的電子輻照試驗后外觀如圖5所示。

從圖5 中可知，1×1015e/cm2注量的電子輻照后，17 μm 的薄膜外觀均完好，無起泡、開裂現象，27 μm有一片出現開裂現象；經5×1015和1×1016e/cm2劑量的電子輻照后，17 和27 μm 的薄膜均出現不同程度的起泡現象，且表現出膜越厚，起泡越嚴重的現象；經2.5×1016e/cm2注量的電子輻照后，17 和27 μm 的薄膜均未出現明顯的起泡和開裂現象，但測試時發現薄膜明顯變脆，輕微接觸即大面積開裂，如圖6所示。

圖6 2.5×1016 e/cm2注量電子輻照后輕微接觸時開裂現象Fig.6 Cracking phenomenon when slight contact after 2.5×1016 e/cm2 electron irradiation

針對電子輻照時Parylene-C薄膜出現開裂、起泡、變脆的原因進行如下分析：涂覆材料試片在制備過程中是先在鈹青銅試片上涂刷少量的偶聯劑，然后在氣相沉積作用下進行Parylene膜層鍍覆，因此電子輻照過程中起泡和開裂的原因與偶聯劑和涂覆材料本身均可能有關系。從圖5可知，膜越厚，涂覆材料起泡和開裂現象越嚴重，且由于在制備17和27 μm的薄膜時所用偶聯劑的量是近似相同的，因此，初步分析認為起泡現象主要與Parylene膜有關，為了進一步驗證起泡原因，對單組分Parylene膜、單組分偶聯劑以及輻照前后涂覆材料薄膜（Parylene膜+偶聯劑）進行了紅外光譜分析，結果如圖7所示。

圖7 Parylene-C薄膜電子輻照前后紅外特征峰Fig.7 Infrared characteristic peaks of Parylene-C films before and after electron irradiation

從圖中可知，Parylene薄膜在600～700 cm-1處的峰強均隨著輻照注量的增加而減弱，該峰為Parylene中苯環上C—H或C—Cl的吸收峰，可推斷出電子輻照過程中Parylene中苯環上C—H或C—Cl鍵發生了斷裂［16-18］，表明輻照過程中的氣泡主要是由于Parylene膜分解產生的。此外，2.5×1016e/cm2注量電子輻照后薄膜的熱失重測試結果如圖8所示。從圖8中可知，電子輻照后Parylene-C薄膜熱分解溫度約為396 ℃，和輻照前相比降低了57 ℃，且整個降解過程較輻照前發生了明顯的改變，這均表明經電子輻照后，Parylene-C薄膜結構上發生了改變導致其熱穩定性下降。為了獲得Parylene-C薄膜電子輻照的耐受上限注量，選取了27 μm規格的試片繼續開展了1×1014e/cm2注量的電子輻照試驗，試驗結束后涂覆材料外觀和附著力的測試如圖9和表4所示。

圖8 Parylene-C薄膜電子輻照前后熱重曲線Fig.8 TG curves of Parylene-C films before and after electron irradiation

圖9 Parylene-C薄膜經1×1014 e/cm2電子輻照后外觀Fig.9 Appearance of Parylene-C films after 1×1014 e/cm2 electron irradiation

表4 1×1014 e/cm2電子輻照后附著力測試結果Tab.4 Adhesion test results after 1×1014 e/cm2 electron irradiation

結果表明，1×1014e/cm2注量的電子輻照后Parylene-C 薄膜外觀均完好，無起泡、開裂現象。此外，其附著力等級為1 級，表明該注量輻照后，Parylene-C 薄膜仍可較好地粘結在鈹青銅上。因此，試驗結果表明Parylene-C 涂覆材料可在電子輻照注量不超過1×1014e/cm2的條件下進行使用。

2.6 質子輻照

兩種規格的Parylene-C 薄膜-鈹青銅試片4 種注量下的質子輻照試驗后外觀如圖10所示。

圖10中能看出，經4種注量的質子輻照后，17和27 μm 的Parylene-C 薄膜外觀均完好，無起泡、開裂現象。最大注量質子輻照后薄膜附著力、紅外以及熱失重的測試結果如表5、圖11和圖12所示。

圖10 Parylene-C薄膜質子輻照后外觀Fig.10 Appearance of Parylene-C films after proton irradiation

圖11 Parylene-C薄膜質子輻照前后紅外特征峰Fig.11 Infrared characteristic peaks of Parylene-C films before and after proton irradiation

圖12 Parylene-C薄膜質子輻照前后熱重曲線Fig.12 TG curves of Parylene-C films before and after proton irradiation

表5 2.5×1015 e/cm2質子輻照后附著力測試結果Tab.5 Adhesion test results after 2.5×1015 e/cm2 proton irradiation

經最大注量為2.5×1015e/cm2的質子輻照后，Parylene-C 薄膜在鈹青銅上的附著力仍為1 級，表明該注量質子輻照后Parylene-C 薄膜仍可較好地粘結在鈹青銅上。此外，從紅外圖譜中能看出，質子輻照前后薄膜的紅外特征峰未發生明顯的改變；從熱重曲線中看出，質子輻照前后薄膜的熱分解溫度均（以分解3%計）為453 ℃，且降解過程基本一致，這均表明質子輻照未對Parylene-C 薄膜的結構造成顯著的影響，薄膜可耐受2.5×1015e/cm2注量的質子輻照。

3 結論

（1）通過真空氣相沉積工藝制備的兩種規格的Parylene-C 薄膜的實測厚度平均值分別為18.2 和26.0 μm，薄膜與鈹青銅粘結性較好，附著力等級為1級，均滿足應用要求，這也表明Parylene-C 薄膜制備工藝穩定、可靠。薄膜的熱分解溫度約為453 ℃，擊穿電壓分別為3.65 kV（17 μm）和5.27 kV（27 μm），表明Parylene-C 薄膜熱穩定性較好且具有較強的抗電壓擊穿能力。

（2）經歷1×1015、5×1015、1×1016、2.5×1016e/cm2四種注量下的電子輻照后，薄膜均出現了不同程度的起泡、開裂和變脆的現象，熱分解溫度較未輻照時下降了約57 ℃，熱降解過程明顯發生了變化。分析可知，主要原因是Parylene 薄膜在輻照過程中結構產生了破壞。經歷1×1014e/cm2注量的電子輻照試驗后，薄膜外觀完好，仍可較好地粘結在鈹青銅上，附著力等級為1 級，表明Parylene-C 涂覆材料可在電子輻照注量不超過1×1014e/cm2的條件下使用。

（3）經1×1014、5×1014、1×1015、2.5×1015p/cm2四種注量的質子輻照后，Parylene-C 薄膜外觀均完好，無起泡、開裂現象，附著力仍為1級，熱分解溫度和紅外特征峰較輻照之前均無明顯變化，表明薄膜可耐受2.5×1015e/cm2注量的質子輻照。