金属铜原子氧效应研究

姜海富，李胜刚，田修波，柴丽华，秦玮，张永泰

（1.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100094；2.中国石油天然气管道局 东南亚项目经理部，河北 廊坊 065000；3.哈尔滨工业大学材料学院 现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨 150001；4.北京工业大学材料学院，北京 100124）

在距地球表面200～700 km的低地球轨道（low earth orbit，LEO），残余气体基本上由80%的原子氧（atomic oxygen，AO）和20%的N2组成。当航天器以7～8 km/s的速度在轨运行时，原子氧以相对较高的通量（1012～1015/（cm2·s））和5 eV左右的动能与其表面碰撞，足以对航天器表面材料产生巨大的影响[1—3]。

金属材料在航天器上有着广泛的应用，包括铝、铜、金、镁、银等纯金属材料以及大量的金属合金材料。由于空间原子氧具有极高的活性，能与航天器上的金属材料发生反应，使金属材料的表面性能发生变化，从而影响航天器的在轨服役寿命[4—6]，因此开展金属材料空间原子氧效应研究具有重要意义。文中以金属铜为例，利用射频源原子氧进行辐照试验，研究了原子氧辐照试验前后金属铜性能的改变。

1 试验方法

原子氧辐照试验在射频源原子氧地面模拟设备上进行，该设备由射频发生系统、供气系统、循环水冷却系统等组成，详细工作原理参见文献[7]。具体试验参数：原子氧的通量为2.5×1016/（cm2·s），辐照时间为0，60，180，300 min。

试验材料为纯铜，尺寸为40 mm×30 mm的长方形样品。在原子氧辐照试验前，所有样品在无水乙醇中超声清洗20 min，以去除样品表面污染物，然后进行初始性能测试。

2 结果与分析

2.1 表面形貌

原子氧辐照前后铜样品表面形貌变化如图1所示。由图1可见，原子氧辐照前铜样品表面不平整，存在沟壑及划痕现象。原子氧辐照后，样品表面变得更为粗糙，出现了台阶状的凸起。随着辐照时间的增加，样品表面层出现轻微脱落，300 min辐照的样品脱落层相对较多。研究结果表明，金属铜与高活性原子氧反应后生成氧化铜（CuO）和氧化亚铜（Cu2O）。CuO和Cu2O在原子氧的继续撞击作用下，可以从铜样品表面脱落[8—9]。

图1 原子氧辐照前后Cu表面的形貌变化Fig.1 Surface morphology variation of Cu before and after AO irradiation

2.2 表面成分

对原子氧辐照前和辐照300 min后的铜样品进行了能谱分析。辐照前铜表面各成分含量（以质量分数计）为：O 1.79%，Cu 98.21%；辐照后铜表面各成分含量为：O 2.75%，Cu 94.99%，Fe 1.05%，Ni 1.21%。辐照前后铜的表面能谱如图2所示。可以看出，辐照前铜样品表面只有Cu和O两种元素，且O的含量极少。辐照后样品表面Cu元素含量降低，O元素含量增加。这主要是由于铜与原子氧反应生成铜的氧化物CuO和Cu2O造成的[10]。此外，辐照后样品表面又发现了Fe和Ni元素，可能是由于在辐照过程中原子氧束对不锈钢材质的真空室以及夹具等的溅射污染造成的。

2.3 质量损失

许多金属材料在原子氧环境中都会产生氧化作用，生成相应的金属氧化物，从而使样品的质量在理论上有所增加。由于生成的氧化物膜一般具有较大的内应力，在原子氧的冲击、碰撞、剥蚀等作用下会发生脱落，从而造成其实际质量的损失[11—12]。经不同时间原子氧辐照后金属铜的质量变化如图3所示。

图2 辐照前后铜表面的能谱Fig.2 Surface energy spectra of Cu before and after AO irradiation

图3 原子氧辐照前后Cu的质量变化Fig.3 Mass change of Cu before and after AO irradiation

由图3可知，随原子氧辐照时间的增加，样品质量呈现增加趋势。虽然300 min辐照样品表面出现了氧化物脱落现象，但样品质量没有减少，反而增加了0.035 mg。更长时间的辐照试验可能会导致铜样品质量的降低。

2.4 光学性能的变化

不同时间原子氧辐照前后金属铜的反射光谱如图4所示，可以发现，经不同时间原子氧辐照后，铜的反射光谱发生了不同程度的变化。在200～600 nm波段，300 min辐照样品光谱反射系数下降较大，其余样品变化较小；在600～1500 nm波段，样品光谱反射系数随辐照时间的增加逐渐下降。不同时间原子氧辐照前后太阳吸收比如图5所示。可以看出，经原子氧辐照后铜的太阳吸收比升高，且在原子氧辐照初期变化比较缓慢。随原子氧辐照时间的延长，太阳吸收比退化速率增加，300 min辐照样品太阳吸收比增加了0.07。

图4 原子氧辐照前后Cu的反射光谱Fig.4 The reflectance spectra of Cu before and after AO irradiation

图5 原子氧辐照前后Cu的太阳吸收比Fig.5 Solar absorption ratios of Cu before and after AO irradiation

美国航天飞机STS-46在飞行任务中进行的EIOM-3材料试验证实了铜在空间原子氧作用下，光学性能退化较为明显，光谱反射系数降低，而太阳吸收比变大[8]。李中华等[13]的研究结果也证实了这一现象。说明原子氧对铜的光学性能具有一定的破坏作用，这会影响铜零件的空间使用性能。

2.5 接触角的变化

接触角能直接反应出材料表面状态和表面自由能的大小，不同材料表面的接触角也不尽相同，原子氧辐照前后铜的水接触角变化如图6所示。经原子氧辐照后，铜表面的接触角总体呈现出升高的趋势，说明经原子氧辐照后铜表面的自由能降低，疏水性能提高。经分析认为，造成这种现象的主要原因是铜与原子氧作用生成了CuO，而CuO较Cu具有较高的疏水性[14—15]，从而造成样品表面接触角增大。

图6 原子氧辐照前后Cu接触角的变化Fig.6 Variation in contact angle of Cu before and after AO irradiation

2.6 摩擦磨损性能的变化

摩擦磨损性能可以通过摩擦系数来进行定性的表征，原子氧辐照前后铜的摩擦系数如图7所示。可以看出，未经原子氧辐照的铜摩擦系数较低，且比较稳定。经原子氧辐照后铜的摩擦系数均有不同程度的升高，原子氧辐照60 min的样品摩擦系数最高。经原子氧辐照后的样品在摩擦磨损初期（100 s前），摩擦系数迅速上升，在约100 s后摩擦系数逐渐下降并趋于稳定。原子氧辐照后样品表面生成的铜氧化物与摩擦磨损性能密切相关。研究结果表明，铜的耐磨性能较好，氧化铜次之，而氧化亚铜最差[16]。原子氧辐照后，样品表面生成了一定厚度的氧化膜，而氧化膜的耐磨性能较差，所以原子氧辐照后的样品表面耐磨性能变差。上述研究结果表明，金属铜在空间运动机构部件中使用时需要避免暴露于原子氧环境中。

图7 原子氧辐照前后Cu的摩擦系数Fig.7 Friction coefficient of Cu before and after AO irradiation

3 结论

1）金属铜原子氧辐照试验后，表面生成了金属氧化物。虽然原子氧辐照时间为300 min的样品表面出现了氧化物脱落现象，但试验后样品质量仍增加了0.035 mg。

2）原子氧辐照导致金属铜光谱反射系数降低，太阳吸收比增加。随原子氧辐照时间的延长，太阳吸收比退化速率变快。

3）原子氧辐照后，金属铜表面接触角增大，疏水性能提高。

4）原子氧辐照使金属铜的耐磨性能下降，表明金属铜在空间运动机构部件的使用中需要避免暴露于原子氧环境。

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