陶瓷基分子吸附器的航天器污染控制性能试验研究

刘小布，院小雪，臧卫国，杨东升，刘宇明，姜海富

（1. 航天恒星科技有限公司，北京 100086； 2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器在热真空试验和在轨运行时处于真空冷热交变的环境中，其上非金属材料释放的有机分子可能会运动、碰撞并沉积在航天器的光学部件、太阳电池板和热控涂层等污染敏感部组件表面，甚至通过“爬油”等方式进入航天器内部。近年来，为满足长寿命高可靠航天器发展的需求，提高航天器光学系统和热控系统的性能，在加强地面污染控制的同时，对航天器在轨污染监测与控制方面也开展了相关的研究工作。

北京卫星环境工程研究所提出一种新型的航天器污染控制手段——利用多孔分子筛材料的吸附性能来降低航天器一定区域内的污染水平。但分子筛是粉末材料，无力学支撑性能，因此，用堇青石做基底、分子筛做吸附剂的陶瓷基分子吸附器应运而生。该吸附器使用方便、体积小、质量小、功耗低，适于航天器污染敏感器件的污染控制。

本文以航天器常用灰皮电缆作为污染源，开展分子筛材料和陶瓷基分子吸附器对航天器有机分子污染物的吸附性能试验研究，评估陶瓷基分子吸附器的污染控制效果。

1 陶瓷基分子吸附器简介

陶瓷基分子吸附器由吸附剂材料和基底材料构成。吸附剂材料的选择要考虑其对有机分子污染物的吸附性能，基底材料的选择要考虑其和吸附剂的结合力及影响。

北京卫星环境工程研究所的李娜等通过研究Naβ、NaY、13X 这3 种分子筛材料的吸附能力，确定航天器有机分子污染物的最优吸附剂为13X分子筛。图1 为合成的13X 分子筛显微形貌。

图1 13X 分子筛显微形貌Fig. 1 The microstructure of 13X molecular sieve

堇青石（图2）是一种新型结构陶瓷，其结构稳定、流体阻力小、膨胀系数小，是优良的基底材料。

图2 堇青石外观Fig. 2 The appearance of cordierite

目前常用的实现沸石分子筛在堇青石表面固载化的方式包括原位水热合成法、直接涂覆法、涂覆加碱化处理法、铝胶黏结工艺以及硅胶黏结工艺。通过一系列分子筛结合力和负载率试验发现，硅胶黏结工艺得到的分子吸附器具备更好的均匀致密结合力，因此本文选用硅胶黏结工艺制备的陶瓷基分子吸附器（图3）进行航天器污染控制试验。

图3 陶瓷基分子吸附器实物Fig. 3 Molecular adsorber on ceramic substrate

2 分子吸附器的污染控制性能试验

分子吸附器的污染控制性能取决于吸附剂的吸附性能，分子吸附器对航天器分子污染物的污染控制性能试验包括2 部分：1）分子筛吸附和脱附特性试验，其中分子筛脱附特性试验是为了验证其捕获的污染物分子是否会脱附造成二次污染；2）陶瓷基分子吸附器的吸附性能试验，验证分子吸附器的工程应用价值。

2.1 分子筛吸附和脱附特性试验

采用对比验证的方式对分子筛的吸附和脱附特性进行测试。图4 为试验所用的13X 分子筛和对比用的采集板。

图4 试验用分子筛和采集板Fig. 4 The molecular sieve and collection board use for the experiment

试验在材料真空放气筛选设备（图5）中进行。该设备包括4 套温度控制系统、1 套冷却控制系统、真空抽气系统以及真空测试系统，集成了24 个材料放气污染沉积测试单元，每套测试单元由材料放气室、放气通道挡板单元和污染沉积单元组成。该设备的真空度可优于7×10Pa，材料加热温度范围为50～150 ℃，沉积温度控制在25 ℃±1 ℃。

图5 材料真空放气筛选设备Fig. 5 The material vacuum outgassing screening equipment

试验的污染源采用航天器用灰皮电缆，放置于材料真空放气筛选设备的材料放气污染沉积测试单元中。任选3 个材料放气污染沉积测试单元作为1#、2#、3#放气室，灰皮电缆、分子筛及采集板在试验前后的称重采用电子天平，其质量测量灵敏度为2×10g。

试验的具体实施过程如下：

1）电缆、分子筛和采集板分别称重后，电缆和分子筛置于1#放气室，电缆和采集板置于2#放气室，分子筛置于3#放气室；

2）放气室加热到125 ℃，吸附24 h；

3）取出电缆、分子筛和采集板，分别称重；

4）将污染过的分子筛和采集板重新放进放气室真空烘烤2 h 后取出，分别称重。

试验数据见表1 所示。可以看到：经过24 h 吸附试验后，分子筛和采集板都能吸附污染物分子；经过真空烘烤后，采集板吸附的污染物分子大部分都脱附了，而分子筛吸附的污染物分子大部分仍处于被捕获状态。说明分子筛可以起到完全吸附污染物分子的作用，能够有效控制污染。

表1 13X 分子筛吸附及脱附试验数据Table 1 The absorbing and desorption test data of 13X molecular sieves单位：mg

2.2 陶瓷基分子吸附器吸附性能试验

陶瓷基分子吸附器吸附性能试验和分子筛材料特性试验采用同一真空设备进行，试验状态如图6所示。为验证分子吸附器能否工程应用于航天器的污染控制，特选择航天器常用灰皮电缆作为污染放气源。因分子吸附器尺寸过大（直径92.4 mm），试验时为其专门制作了便于稳固放置的支架。

图6 陶瓷基分子吸附器吸附性能试验Fig. 6 The adsorption performance test of ceramic-based molecular adsorber

分子吸附器的吸附性能较强，因此试验前需要将其放置在预烧125 ℃真空容器中至少4 h，以去除样品自身吸附的水分、其他可挥发物质及样品中易脱落的部分，将预烧之后的样品再次称重、备用。

试验具体过程为：

1）将污染物按一定升温速率加热至125 ℃，使分子吸附器暴露在污染环境中吸附污染物分子24 h；

2）将污染物及分子吸附器依次取出称重，并计算吸附器的吸附量。

试验数据见表2 所示。可以看到，分子吸附器的吸附能力在3.1×10～3.4×10g/cm之间，可实现对航天器用非金属材料放气产物的吸附作用。

表2 分子吸附器吸附试验数据Table 2 Test data of the molecular adsorber

3 结束语

本文以航天器用灰皮电缆释放出的邻苯二甲酸酯类污染物作为污染源，试验研究了13X 分子筛和陶瓷基分子吸附器在真空环境下对污染物的吸附能力，以验证这种新型污染控制手段能否完全捕获污染物分子。结果表明：分子吸附器具备有机分子污染物的吸附能力，并且不易脱附，可起到污染控制的作用。后续可加强分子吸附器的工程化应用，服务于航天器地面试验和在轨运行时污染敏感器件的污染控制。