O型圈適用范圍的確很廣，它涉及到了各個領域的產品中的重要樣本，體積輕小，但發揮作用很多，是現代工行業的一種重要零部件之一。突然發現，有專業人員對O型圈的原子氧剝蝕效應進行了實驗，通過對O形圈的原子氧暴露實驗研究,發現經過原子氧作用后，O型圈的表面粗糙度和質量損失率均隨原子氧等效累積通量的增大而增大。

　　低地球軌道( LEO) 的空間環境主要由 N2、 O2、Ar、 He、 H 和原子氧AO( atomic oxygen) 組成，其中原子氧的含量Z高,大約占80%。原子氧不僅具有很強的氧化性，而且當飛行器以軌道速度在LEO 中運行時，原子氧以( 7~ 8) km/ s 的相對速度撞擊材料的表面， 其撞擊材料的平均動能可達( 4~ 5) eV，這個過程會造成表面材料剝蝕( surface material erosion)及材料性能退化( material degradat ion) ，從而引起材料使用效果發生變化。對于硅橡膠材料來講，目前G內外關于其原子氧剝蝕效應的研究成果較少，因此有必要對其原子氧的剝蝕效應進行研究。

　　O形圈密封由于其結構簡單、密封可靠而被廣泛使用。在航空和航天器中, 也經常采用這種密封結構，如飛機和載人飛船的舷窗大多使用這種結構，空間站生物艙的艙門亦采用O形圈密封。O形圈材料一般為橡膠，由于橡膠是高分子聚合物,空間的各種環境條件特別是原子氧對其密封性能的影響不可忽視。

　　地面模擬實驗是除空間暴露實驗外應用頗為廣泛的一種原子氧剝蝕效應的研究方法,與空間實驗相比，其優點是限制費用低、周期短、條件少、目前工程上大量使用的是等離子體型設備。這類設備所得到的關于原子氧材料剝蝕效應以及數據與LEO 暴露實驗可以定性地吻合，能夠定性的了解原子氧能量、通量和環境粒子對材料性能等的影響, 為空間材料的選擇和評定提供應用和設計依據。通過北航流體力學研究所研制的燈絲放電磁場約束型(IFM) 原子氧效應地面模擬設備模擬空間 LEO 環境,對硅橡膠材料O形圈在原子氧作用前后的性能進行了實驗研究。

　　1、實驗設備

　　本實驗用的IFM 原子氧效應地面模擬設備屬于目前G內外LEO 環境原子氧效應研究中Z為常用的等離子體型設備,所獲得的材料的剝蝕效果、氧化程度、表面形貌等都與G外的空間暴露實驗或地面模擬實驗結果基本相似。

　　IMF設備的特點是造價低、通量大、設備簡單、能量容易控制，整套設備由真空測量系統、真空機組系統、充氣系統、氧等離子裝置、粒子能量選擇與控制系統、樣品支撐系統和參數診斷系統組成。該設備核心部分是氧等離子體裝置，它屬于目前GJ上等離子體物理研究中發展比較迅速、應用也較廣泛的表面約束等離子體裝置。

　　實驗設備的工作原理是：通過流量控制器控制氧氣的流入量，使真空室達到一定的工作氣壓，然后通電加熱陰G燈絲，達到適當的溫度后燈絲表面開始發射電子，在陽G( 真空室壁) 和間放電電壓的作用下，被加速到足夠能量的電子與工作氣體O2分子發生碰撞, 使氧電離從而形成氧等離子，其中主要成分有：O、e、O2、O2O、等。設備是用

　　表面約束磁場提高等離子體密度,用偏壓系統控制和選擇氧離子能量。

　　2、 原子氧通量的測量

　　目前G內外有關原子氧暴露的研究中，原子氧通量的準確測量這個難題還尚未根本解決，本實驗以標準材料Kapton 為標準，通過Kapton 的質量損失作為模擬設備中原子氧等效累積通量的計算依據。Kapton 是在空間應用非常廣泛的一種聚合物材料,也是空間暴露實驗以及地面模擬實驗研究的重點材料之一,它在空間原子氧的作用下剝蝕比較嚴重, 這種材料具有的基本上不隨其它條件如通量、厚度等參數的變化而變化的剝蝕率( erosion field) Ey，一般取 E y= 3. 0 @ 10- 24cm3/ atom，而且其質量變化隨原子氧累積通量的增大基本呈線性增加, 因此,Kapton 材料的質量損失常用來作為模擬設備中原子氧等效累積通量的計算依據以及其他材料剝蝕程度的比較標準。本文計算原子氧等效累積通量就是通過Kapton 材料的質量損失推算得到的：

表 1 O形圈暴露原子氧前后質量變化情況

　　公式中： F ：等效原子氧累積通量;?M - Kapton材料的質量損失; Q-實驗材料的密度; A -試樣的面積;t -暴露的時間; Ey -Kapton 材料的剝蝕率。

　　已知Kapton 材料的 Ey = 3. 0 ×10- 24cm3/ atom，

　　并且實驗后經測量可以得到Kapton 材料的質量損失?M，這樣根據實驗時間就可以計算出作用到試樣上原子氧的等效累積通量。

　　3、實驗結果及分析

　　對兩種不同批號的硅橡膠材料O形圈(硅橡膠863-3-1、 硅橡膠863 -3 -3)進行原子氧作用時間長短不同的實驗;實驗前后對樣品質量進行了測量，稱重所使用的天平為DT-100分析天平，精度0.100005g。

　　原子氧暴露實驗時的溫度為常溫,O形圈在實驗之前先用脫脂棉蘸酒精擦拭,然后用酒精清洗,用細銅絲將O形圈固定于 IFM 原子氧效應地面模擬設備的樣品架上。實驗結果見表1：

圖 1O形圈質量損失率與原子氧作用時間關系曲線

　　空間LEO 環境高度范圍為200~ 600 km，在原子氧地面模擬實驗中，原子氧等效累積通量5.3×1020atoms/ cm2相當于硅橡膠材料O形圈在空間LEO環境暴露時間在200 km 高度時為14712 h、 在 600km高度時為147222 h 的原子氧作用量。表 1 中的序號1、 2、 3 實驗的原子氧作用時間為10h，序號4、 5實驗的原子氧作用時間20 h， 序號6 實驗為序號5實驗做完后， 又進行了 10 h 的原子氧暴露，總的原子氧作用時間為30 h，作用在硅橡膠材料O形圈表面上總的原子氧等效累積累通量為 8.574 ×1020atoms/ cm2;序號4 實驗用的O形圈在做完原子氧實驗之后，立即進行了48 小時的紫外線輻射實驗。

　　從表1 可以看出，IFM 設備中產生的氧等離子體對硅橡膠材料O 型圈有明顯的剝蝕效果，硅橡膠材料O形圈經過原子氧作用后質量減小，原子氧作用時間越長其質量損失越大, 而且硅橡膠材料O形圈的質量越大，其質量變化量也越大。圖1 為硅橡膠材料O 型圈質量損失率與原子氧作用時間的關系曲線：隨著原子氧作用的時間增長，硅橡膠材料O形圈的質量損失率增大。

圖 1O形圈質量損失率與原子氧作用時間關系曲線

　　4 電鏡掃描分析

　　對經過原子氧作用的O形圈進行電鏡掃描，采用北航材料科學與工程學院掃描電鏡實驗室的JSM -5800型掃描電子顯微鏡( SEM) ，加速電壓為115kV~ 210 kV, 在此電壓范圍內既能比較清楚的觀察到試樣的表面形貌特征, 又不會對材料表面造成任何破壞。

　　圖2 為硅橡膠材料O形圈在原子氧作用之前的電子鏡掃描照片, 從照片可以看出,試樣的表面光滑、 沒有明顯的表面損傷,即使在較高放大倍數下觀察,試樣的表面除了有少部分制造缺陷及操作時不小心造成的損傷外, 沒有明顯的傷痕。

圖 2 硅橡膠材料 863 - 3 - 3新O 形圈表面狀況電子掃描照片( 80× )

　　圖3 為硅橡膠材料O形圈在原子氧作用 10 h、原子氧等效累積通量為3.274 ×1020

　　atoms/ cm2后的電子鏡掃描照片, 與圖 2 相比: 硅橡膠材料O型圈在小通量原子氧暴露后, 表面形貌特征變得略微粗糙,是原子氧對硅橡膠作用的結果。

圖 3 原子氧作用10 h 之后的O 形圈表面狀況電子掃描照片( 100× )

　　圖4為硅橡膠材料O形圈在原子氧作用2 h、原子氧等效累積通量為5.3 ×1020atoms/ cm2后的電子鏡掃描照片：表面少量的地方出現一些點狀的凹坑,外貌形狀較為粗糙。

圖 4 原子氧作用 20 h 之后的O 形圈表面狀況電子掃描照片( 80× )

　　圖5為硅橡膠材料O形圈在原子氧作用30 h、原子氧等效累積通量為8.574 ×1020

圖 5 原子氧作用 30 h 之后的 O 形圈表面狀況電子掃描照片( 100× )

　　atoms/ cm2后的電子鏡掃描照片:表面出現一點更加明顯的點狀凸坑,形貌更加粗糙, 并伴有不深的溝壑形狀, 說明原子氧作用非常明顯。

　　圖6 為硅橡材料O形圈原子氧作用20 h、 原子氧等效累積通量為5.3 ×1020atoms/ cm2以及紫外線輻射48 h 后的電子鏡掃描照片:表面不但有明顯的粗糙形狀,而且有較多的點狀凸坑,說明紫外輻射和原子氧作用的綜合作用對硅橡膠材料O形圈表面的影響更加顯著。

　　圖 6 原子氧與紫外線輻射之后的O 型圈表面狀況電子掃描照片( 100×)

　　5 、結論

　　對硅橡膠材料O型圈的原子氧暴露實驗研究：

　　(1)原子氧和紫外線輻射的綜合作用對硅橡膠材料O形圈性能影響比原子氧單獨作用更加明顯。

　　(2) 作用到硅橡膠材料O形圈表面上的原子氧等效累積通量越大,硅橡膠材料O 型圈的質量損失率就越大。

　　(3)硅橡膠材料O 型圈在 IFM 地面模擬設備的實驗出現剝蝕現象,表面形貌特征發生了明顯的變化。

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