空间用油脂材料原位质损测试及出气成分分析方法

冯 杰，王先荣，王，柏 树，姚日剑，庄建宏，颜则东

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理国家级重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引言

航天器真空油脂选材的主要出发点是：在额定的寿命期内材料性能是否能耐受空间环境及在使用寿命期内材料质量损失。空间探测器使用的非金属材料在真空中由于蒸发、升华和分解等物理和化学过程引起质量损失。材料取舍的判据最终应由用户根据具体部件和系统的需要而定。历史上，TML（材料总质量损失）1.00%，一直被作为航天器材料的淘汰线[1]。QJ1558《真空材料挥发性能测试方法》中提到，实验时需取多份质量大体相同的材料，然后将试样放置在预先称重并经过彻底清洗和干燥的铝制小盒内，测量前对样品和小盒一起称重，经历出气实验后再对样品和小盒一起称重，这种异位测量方法很难避免空间用油脂材料因呈黏稠状，不容易固定，在铝制小盒内容易流动造成测量误差，并且多次对样品测试不易保证在取出和放入真空室时样品不被空气中水汽等污染，影响测量结果。材料成分分析需要在专用的材料出气分析设备中测试，作者结合QCM对黏稠状油脂材料进行原位质损和出气成分分析。

2 实验原理和思路

2.1 QCM测量质量原理

QCM是由一块薄的石英晶片及在其正反两面喷涂的2个金属电极构成，石英晶体微量天平技术是利用石英的压电特性，在流体力场环境中，通过测量电极表面涂敷或沉积的外源物质的质量/厚度变化引起的晶体共振频率或阻抗的变化，从而达到微称重的目的。1959年，Sauerbrey[2]导出了真空条件下QCM电极表面沉积的金属薄膜质量与晶体频率变化之间的线性关系，Sauerbrey方程仅在沉积膜为刚性，且膜质量不为超过晶体本身质量的2%时适用。对大多数界面膜过程，只要涂敷或沉积的膜足够薄（通常小于几个微米），其质量和刚性膜条件都能符合方程的要求。

2.2 实验设计原理

将空间用油脂材料涂附在石英晶体微量天平（QCM）电极上，由于QCM的频率变化与涂敷在电极表面上的材料质量符合Sauerbrey公式，QCM频率的变化与油脂材料质量的变化呈线性关系，当油脂膜材料质量减小时，QCM频率会增加。

将带有空间用油脂材料薄膜的QCM置于Prisma300气体分析设备真空室加热台支架上，晶片与加热台距离控制在1 cm之内，同时测温电阻与晶片固定在同样高度，保证所测温度为晶片温度，晶片电极上的引线通过真空法兰口与外接频率采集器相连接。出气成分通过与真空加热室相连的四极质谱计监测，监测结果在与四极质谱计相连的电脑终端上直接显示出[3]。由于温度变化对QCM频率的影响，为了消除温度测量引起的误差，作者对空载晶片做了频率温度曲线，然后对涂敷油脂材料的晶片做升温过程的频率监测变化，随后让温度保持在125℃，保持252 h，监测整个过程中频率的变化趋势。原理示意图如图1所示。

图1 QCM原位测量油脂材料质损示意图

3 验证实验结果与分析

3.1 出气质损分析

为了消除晶片自身由于温度变化引起的误差，作者首先做了空载晶片频率随温度的变化曲线。在真空度优于10－4Pa后，对真空室升温，每升温5℃保持2 h，记录下频率稳定后的值。结果如图2所示。

图2 空载晶片频率随温度的变化图

图3 带有真空脂薄膜的晶片频率随温度的变化

将电极上涂敷有空间用油脂材料的石英晶片探头放置在真空室中做与空载探头同样条件的实验，其结果如图3所示。

图2所示为空载QCM随温度的变化频率变化曲线，经过图3和图2比较，图3中80℃以后频率开始上升，这种趋势说明有QCM电极上的材料质量在减少，若空载实验与测试实验所用晶片为同一晶片，所选油脂材料为导热性能很好的材料，当材料没有质损时，频率温度曲线图形应一致；当材料出气时，由于质量损失，QCM频率会增加，如图3所示。通过测量频率的增加，就能得出材料质量的减少。假设质量为m的黏性材料涂敷在晶片上，晶片频率减少量为f1，当在真空中加热材料质损为Δm，晶片显示频率会增加，此时变化量为Δf1，从而从Sauerbrey公式可知：，则质量的变化与频率的变化成正比。质损随时间的变化数据如图4所示。

图4 真空脂材料质损‰

非金属在空间环境下的长时间的出气量符合这样的关系

式中C0为出气物在材料中的浓度；D为扩散系数；d为材料的厚度；t为出气时间。从式（1）可以看出，出气温度一定时，当出气时间趋近于无限长，出气总量趋近于一个定值。

将图4的测试数据按照式（1）进行拟合，可以求出公式中的常量，根据式（2），可以得到黏性膜材料长期的质损量为0.49%。

3.2 出气成分结果

用四极质谱计监测材料出气成分[4]，质谱计测试结果如图5所示。

图5 真空脂黏性薄膜探头出气质谱图

从图5的测试结果可以看出，在本次实验材料加热过程中，出现的气体成分有H2（m/z=2），H2O（m/z=18），N2（m/z=28），O2（m/z=32）。这些物质是因为放入样品室时样品吸附的空气中气体成分。而峰值显示在39、41、43、55、57、77、78 为碳氢化合物。

4 结论

（1）与QJ1558《真空材料挥发性能测试方法》比较，对于空间用油脂等黏稠状不易放置的真空脂材料，利用在QCM电极上制备成黏性薄膜的方法，原位监测材料的质量变化量，避免了黏稠材料在铝盒内流动造成检测设备污染，并且在同一个设备中可以同时监测材料出气质损和出气成分，减少了测试时间。

（2）本方法可以原位监测材料质损，经外推得出材料的寿命。设计师往往在选择材料时更关心实际工况下和寿命期内材料出气数据，该方法为设计师选择材料提供了支持。

（3）用本文所述原位检测质损方法对某空间用油脂黏性材料进行测试，对其成分进行了分析。其质损量为0.49%，挥发物主要成分为碳氢化合物，这些数据为该油脂材料在空间的应用提供了参考数据。

[1]王先荣，空间材料质损过程的数学分析和理论的实验验证[J]，中国空间科学技术，1989，9(3):8～14.

[2]SAUERBREYG.Use ofquartzvibration for weighingthin films ofa microbalance[J].GZPhys,1959,155(2)：206～222.