材料表面放電試驗(yàn)方法

1、材料表面放電實(shí)驗(yàn)方法的研究材料表面放電實(shí)驗(yàn)方法的研究 指導(dǎo)老師：陳琪 介紹人：沈健博一、綜述 航天器在空間運(yùn)行過程中, 受到周圍等離子體、高能帶電粒子的轟擊以及太陽電磁輻射引起的光電子發(fā)射等影響, 在航天器表面沉積一定數(shù)量的電荷, 從而引起航天器表面充電。 美國(guó) SCATHA 衛(wèi)星在發(fā)射升空后得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明, 經(jīng)過在空間環(huán)境中數(shù)月的運(yùn)行, 材料介電性能發(fā)生了驚人的變化, 其中Kapton試樣的電阻率呈指數(shù)衰減。 由此可看出, 研究長(zhǎng)壽命衛(wèi)星用表面材料在空間環(huán)境下的充放電特性是很有必要的。對(duì)于功能材料, 嚴(yán)重的表面放電會(huì)改變其熱控性能和其他物理性能。 另外, 表面帶電也使污染加速, 導(dǎo)致表面

2、性能改變, 其中表面光學(xué)性能的改變可導(dǎo)致溫度升高。 通過材料選擇可以減小表面帶電或不等量帶電, 從而減少衛(wèi)星帶電造成的危害, 其中對(duì)材料充放電特性進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估是材料選擇的重要依據(jù)。二、 空間材料的充放電特性 2. 1 材料表面帶電及相關(guān)參數(shù) 航天器在軌運(yùn)行期間, 其表面介質(zhì)材料與空間粒子相互作用時(shí), 就材料本身而言, 如果出射電荷數(shù)與入射電荷數(shù)不同, 即材料表面的電荷平衡被破壞時(shí), 將有凈電荷沉積于材料表面而發(fā)生表面帶電。 衛(wèi)星用材料的帶電特性如表面電位、 帶電速率等取決于材料本身的一些特性, 主要有介質(zhì)電阻率、介質(zhì)厚度、介電常數(shù)、表面電阻率、二次電子發(fā)射系數(shù)、光電子發(fā)射系數(shù)等。2. 2 靜

3、電放電 當(dāng)電荷積累使場(chǎng)強(qiáng)超過介質(zhì)材料擊穿閾值時(shí), 將發(fā)生材料擊穿, 并產(chǎn)生靜電放電電磁脈沖, 該脈沖耦合進(jìn)入衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí), 導(dǎo)致衛(wèi)星異?；蚬收稀：教炱饔捎诓牧蠋щ姲l(fā)生靜電放電的形式主要有 2 種。 (1) 表面放電。滿足下面任一條件時(shí), 就有可能發(fā)生表面靜電放電 1) 介質(zhì)表面相對(duì)于一相鄰的外露導(dǎo)體電壓大于 500 V ; 2) 介質(zhì)與一外露導(dǎo)體界面間電場(chǎng)強(qiáng)度大于 (2) 嵌入電荷擊穿。電荷有足夠的能量可以穿透介質(zhì)表面并進(jìn)入內(nèi)部, 盡管介質(zhì)表面可能由于光電子或二次電子發(fā)射而維持近似零電位, 材料內(nèi)部仍存在很強(qiáng)的電場(chǎng), 當(dāng)該電場(chǎng)足夠大時(shí)將發(fā)生嵌入電荷擊穿。 通常, 當(dāng)內(nèi)電場(chǎng)超過 時(shí)則可能發(fā)生擊穿,

4、 嵌入電荷擊穿將導(dǎo)致電子誘導(dǎo)電磁脈沖(ECEMP) 。三、空間材料充放電特性的評(píng)估方法和表征參數(shù) 為了控制航天器帶電, 要求對(duì)空間材料的充放電特性進(jìn)行評(píng)估, 其技術(shù)指標(biāo)及采用的方法可參考專門的航天器帶電設(shè)計(jì)指南及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前用于空間材料充放電特性評(píng)估的主要方法有: 1) 空間充放電效應(yīng)的原位監(jiān)測(cè); 2) 借助于地面模擬試驗(yàn)裝置及專門的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià); 3) 利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算分析。 地面模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)對(duì)于航天器防帶電設(shè)計(jì)的選材具有重要作用。 需要強(qiáng)調(diào)的是, 材料表面狀況及其接地與否, 對(duì)通過試驗(yàn)得到的充放電特性數(shù)據(jù)有著很大的差異, 而環(huán)境參數(shù)常參照國(guó)際上慣用的航天器帶電最惡劣環(huán)境參數(shù)。

5、衛(wèi)星用材料充放電特性參數(shù)有: 1) 充電參數(shù)有表面電位、漏電流、充電速率等; 2) 放電參數(shù)有擊穿閾值、放電頻數(shù)、 脈沖幅度、 放電場(chǎng)強(qiáng)、 脈沖上升沿時(shí)間、 脈沖寬度、 放電頻譜、 放電能量等。 其中材料在帶電環(huán)境中的表面平衡電位, 作為表征其充放電特性的宏觀參數(shù), 是材料最重要的參數(shù), 也是地面模擬試驗(yàn)和空間原位監(jiān)測(cè)的主要參數(shù)。由于材料表面狀況及材料結(jié)構(gòu)對(duì)其充放電特性數(shù)據(jù)有較大的影響。四、空間材料表面充放電特性的試驗(yàn)評(píng)估4.1 實(shí)驗(yàn)裝置 根據(jù)空間材料表面充放電模擬試驗(yàn)評(píng)估要求而建立的試驗(yàn)裝結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 對(duì)于地面試驗(yàn), 首先必須提供能夠摸擬空間帶電環(huán)境的試驗(yàn)設(shè)備, 其次是具備測(cè)量材料表

6、面充放電特性參數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)。在本試驗(yàn)裝置中, 通過設(shè)計(jì)散焦結(jié)構(gòu)的電子槍, 可模擬空間帶電的電子環(huán)境, 利用介質(zhì)容器實(shí)現(xiàn)靜電放電脈沖的定量測(cè)量。由于地面帶電模擬的是空間材料的最壞充放電情況, 因此在該裝置中未使用模擬太陽源和低能電子槍。4. 2 空間材料表面充電電位的測(cè)量方法 空間材料表面充電電 位的測(cè)量是表 征其充電特 性的主要 手段。通常, 表面電位的測(cè)量采用非接觸測(cè)量法。為了能夠進(jìn)行真空條件下試驗(yàn)樣品表面電位的原位測(cè)量, 研制了專門的振動(dòng)電容型表面電位計(jì)。其工作原理是: 當(dāng)探測(cè)電極與待測(cè)表面距離一定時(shí), 電極與樣品表面組成一個(gè)電容系統(tǒng)。通過機(jī)械傳動(dòng)的方法使該電容發(fā)生周期性變化, 從而在探測(cè)

7、極上測(cè)量到一交變的電流信號(hào), 將此信號(hào)放大、 檢波后輸出, 即可得到一與樣品表面電位有關(guān)的電流信號(hào)。 實(shí)際測(cè)量中, 電極與待測(cè)表面距離一定, 通過測(cè)量已知電位的帶電表面, 可得 i - U 曲線; 而在進(jìn)行未知電位的表面測(cè)量中, 根據(jù)測(cè)量到的 i 值, 通過上述 i - U 曲線查出對(duì)應(yīng)的 U 值。圖 2 所示為振動(dòng)電容型表面電位計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。4. 3 空間材料表面靜電放電信號(hào)的測(cè)量 空間材料的靜電放電特性與其充電特性有很大關(guān)系。材料表面所貯存的電荷常常經(jīng)由接地回路或表面電弧噴發(fā)并泄放。典型的靜電放電脈沖訊號(hào)寬度在 0. 05 至幾微秒間, 該訊號(hào)在脈沖接收回路中激起的瞬態(tài)過程, 經(jīng)常伴隨著

8、幅度衰減的振鈴波, 其衰減振蕩特性與回路的阻抗特性有關(guān)。在放電過程中, 材料表面泄放的能量?jī)H占其儲(chǔ)存能量的一小部分, 大量的地面試驗(yàn)研究指出, 材料表面的電弧放電常常是多 支的而且像閃電,通常先在一點(diǎn)擊穿并形成放電通道, 放電造成的電弧擴(kuò)散即大量的電荷發(fā)生遷移。而放電對(duì)于衛(wèi)星的破壞機(jī)理及破壞程度是大不相同的, 這與使用的材料、接地方式及電弧傳導(dǎo)途徑等諸多因素有關(guān)。 已有研究發(fā)現(xiàn), 材料發(fā)生放電時(shí), 釋放的電荷與樣品面積成正比,放電峰值電流與輻射能量成正比, 放電波形脈寬與輻射能量成反比。從材料的二次電子發(fā)射特性考慮, 放電特性還與入射電子的能譜有關(guān)。對(duì)空間材料的放電特性進(jìn)行全面分析研究, 從中

9、可得到許多有益于衛(wèi)星防帶電設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)和結(jié)論。對(duì)放電訊號(hào)的分析不能用樣品系統(tǒng)的儲(chǔ)能或靜電場(chǎng)去估計(jì), 而只能用放電瞬間的電場(chǎng)和磁場(chǎng)傳輸?shù)哪芰咳ズ饬?經(jīng)過分析和研究, 用ESD訊號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)、頻率特性及一次放電能量來表征空間材料的表面靜電放電特性更為合理。靜電放電脈沖測(cè)量過程如圖 3 所示。五 、典型空間材料充放電特性試驗(yàn)結(jié)果 利用上述空間材料表面充放電特性試驗(yàn)評(píng)估裝置, 對(duì)幾種衛(wèi)星常用表面材料的充放電特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究, 并據(jù)此分析進(jìn)行本項(xiàng)試驗(yàn)工作的一般方法及其要求。試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所列。 圖 4 為實(shí)際測(cè)量到的衛(wèi) 星用材料 G D - 414 表面高充電情況下的靜電放 電波形。 圖 5 所示為美國(guó)SCHA T H 衛(wèi)星在軌測(cè)量到的材料靜電放電波形, 可以看出, 二者有較好的一致性。六、結(jié)論 通過多年的試驗(yàn)研究, 已建造了較為完善的用于空間材料表面充放電特性試驗(yàn)評(píng)價(jià)的設(shè)備, 并逐步形成了一套有效試驗(yàn)方法, 目前正在制訂相關(guān)的試驗(yàn)規(guī)范。數(shù)年來, 已完成了我國(guó)多個(gè)衛(wèi)星型號(hào)的表面材料充放電特性試驗(yàn)評(píng)價(jià)工作。試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)應(yīng)用表明, 利用本文介紹的試驗(yàn)設(shè)備, 可以較好地評(píng)價(jià)空間材料表面充放電特