Способ исследования взаимодействия атомарного кислорода с поверхностью материала

( ) "Мо ния" и Институт энергетических прохимической физики АН СССР,6, й Ч,с-охудепв еагй огЬ опечз, Е т, 1989, Зау 1 ог М 1 1.оа Еа паЙ з 77, А 1 А пд, 3 апиа 6,1 а а 1 ое зог 1 Аего 1985 1 ч 1., )сЬзвег 1.Р, А 1 ов роубег аког взе и йео 24 Й птегзос. Епегду С Ччдз пдтоп О,С., А 0908 1989 р.2651 - 2655. пдву ВАеоге 1.,3., огатогу Рво 1 а 11 оп о с охудеп 1 птегасто сез. А 1 АА-04 расе Зсепсез Мее 1 йепо, йеча 6 а йасейе гТЬ огЫта 1 расесгай А 23 гс гу 14-17,методам исследования измерений поверхности материалов при воздействии потоков активных частиц, в частности, в плазмохимии, радиационной химии и может быть применено в машино- и приборостроении и в особенности при отработке аэрокосмической техники, Образец материала экспонируют в продуктах фоторазложения С 02 или смеси С 02+ М 20 при воздействии вакуумного ультрафиолетового излучения в диапазоне 105 - 220 нм, Способ повышает достоверность и надежность результатов измерений путем устранения побочных химических реакций исследуемого материала с газовой средой, 1 табл.мето ност акти мии, примв осо ской сти м кисл реак ся ат род и кисло зобретение относится к физическим ам исследования изменений поверх- материалов при воздействии потоков ных частиц, в частности, В плдзмохирадиационной химии и может быть нено в машино- и приборостроении и енности при отработке аэрокосмичеехники. звестен способ определения стойкотериалов к воздействию атомарного ода: образец материала помещают в ионную камеру; в которой генерируетмарный кислород. Атомарный кислолучают диссоциацией газообразного ода в высокочастотном разряде. Об онируют в реакционвремя, после чего изуверхностного слоя геновской фотоэлект- и (РФЗС). Зная харакстотного разряда и го кислорода, можно о атомарного кисло- в камере, его плот- поток атомарного вующий на поверхразец материала эксной камере заданноечают изменения пообразца методом ренронной спектроскопитеристики высокочадавление газообразноопределить количестрода, генерируемогоность и суммарныйкислорода, воздейстность образца,Данный спосоком, что при диссзуется химичес б обладает тем недостатоциации кислорода обраки активная смесьполосах поглощения, причем окислы подбирают так, чтобы их фотодиссоциация происходила на атом 0 и фрагмент, невзаимодействующий с исследуемым мате 5 риалом,В качестве газообразного окисла используют СОъ а в его фоторазложение производят под действием светового излученияв диапазоне 105-175 нм,10 Генерирование атомарного кислородапроизводят также посредством фоторазложения смеси М 20 и С 02. Фоторазложениесмеси производят воздействием световогоизлучения в диапазоне 105 - 220 нм,15 Для снижения энергетических затратфоторазложение газообразных окисловпроизводят монохроматическим светом резонансных ламп в вакуумной ультрафиолетовой области спектра, соответствующей20 спектрам фоторазложения окислов.В качестве другого источника монохроматического света можно использовать лазерный луч с длиной волны в областифотопоглощения окислов.25 Фотодиссоциация й 20 и С 02 происходит соответственно на й 2+ 0 и на СО,+ О, т,е. образование Ог в первичном процессеотсутствует, Полученные в этих процессахатомы кислорода диффундируют через газо 30 вую фазу к стенкам реактора, на которыхразмещена исследуемая полимерная пленка и реагируют с ее поверхностью. Другиепродукты фоторазложения газообразныхокислов - Мг и СО, а также сами эти окислы35 М 20 и С 02 не взаимодействуют с полимерными материалами и другими конструкционными материалами. Использованиевакуумного УФ излучения для фотодиссоциации 820 и С 02 существенно по ряду при 40 чин, Во-первых, именно в области короткихдлин волн лежат интенсивные полосы поглощения этих молекул, так что возможнодостаточно полное поглощение энергииВУФ излучения в газовой фазе, Во-вторых,45 вследствие первой причины появляется возможность работать при сравнительно низких давлениях этих газов. Это необходимодля того, чтобы избежать образования молекулярного кислорода 02 во вторичных три 50 молекулярных процессах, эффективностькоторых пропорциональна полному давлению в газовой фазе, В-третьих, квантовыевыходы фотодиссоциации этих газов близкик единице, В-четвертых, монохроматикислородная плазма, в которой помимоатомарного кислорода содержатся другие"загрязняющие"частицы кислорода (молекулярный кислород, в основном триплетноми в метастабильных электронно-возбужденных синглетных состояниях, озон, ионы кислорода и др.), которые не являютсяхимически инертными ни к продуктам взаимодействия атомарного кислорода с материалом, ни к самому материалу.Результаты исследований методомРФЗС поверхности полиимидных пленоктипа "Каптон", подвергнутых воздействиюорбитальным атомарным кислородом(т. е.потоком атомов кислорода, присутствующих на высотах 150-650 км, и в результатедвижения космического аппарата (КА) соскоростью 8 км/с, имеющим интенсивностьН х Ч, где Й - концентрация атомов кислорода на высоте движения КА; Ч - скоростьдвижения КА, равная 8 км/с) показываютувеличение содержания атомов кислорода вповерхностном слое с 17 до 22, При воздействии на поверхность полиимиднойпленки атомарного кислорода, полученногоиз разряда в молекулярном кислороде, содержание атомов 0 в поверхностном слоестановится равным 28-33%. Это расхождение объясняется тем, что в последнем случае на поверхность полиимида наряду сатомарным кислородом действует молекулярный кислород, который реагирует со свободными радикалами, созданными при.соударении с поверхностью атомов кислорода, Поэтому для правильного моделирования воздействия потоков атомарногокислорода необходимо исключить воздействие молекулярного кислорода.В качестве прототипа взят способ определения стойкости материалов к атомарному кислороду, в котором источникоматомарного кислорода служит УФ-фотодиссоциация молекулярного кислорода, нахо дящегося в реакционной камере, Как и впервом способе, образец экспонируется вреакционной камере в продуктах фотодиссоциации,Однако данный способ обладает темиже недостатками, что и предыдущие способы,Целью изобретения является повышение достоверности и результатов измерений.Способ, заключающийся в том, что образец исследуемого материала помещают в 5поток атомарного кислорода, генерирова.ние атомарного кислорода производят посредством фоторазложения газообразныхокислов, не взаимодействующих с материалоМ, под действием световгл о излучения в ческое излучение лампы обеспечивает легкость актинометрических измерений, Со схемой фотопревращений И 20 и С 02 под действием вакуумного ультрафиолетового света можно ознакомиться в известных способах.1793335 Использование светового излучения с линой волны меньше 105 нм нецелесооб,азно, так как начинается ионизация газа од действием излучения и соответственно оявятся загрязняющие добавки в реакционной смеси, образующейся при фоторазл жении, Световое излучение с длинами в лн больше 220 нм для И 20 и 175 нм для0 не вызывает фоторазложения этих газ в. Наиболее целесообразно использовать и и фоторазложении окислов монохроматич ский свет резонансных ламп в области в куумного ультрафиолета или лазерный л ч с длиной волны в области фотопоглощен я.Ниже приводятся конкретные примеры в полнения заявленного способа, Примеры и ясняются таблицей, в которой приведены д нные элементного состава (в атомарныхповерхности полиимидэ при различных в здействиях, и чертежом, нэ котором прив дены РФЗ-спектры поверхности поли- и ида после тех же воздействий,П р и м е р 1. Полиимидная пленка (на чертеже и в таблице обозначена под Мт 3) эк понировалась в реакционной камере, заи лненной газообразным СОг при давлении 3 торр в течение 70 мин. СОг разлагалось св том с длиной волны 147 нм резонансной ла пой КсРА нэ СО и О. Элементное соде жание в поверхностном слое полиимида получено методом РФЗС. Данные приведень в таблице и на чертеже.П р и м е р 2. Полиимидная пленка (на че теже и в таблице обозначена под М 4) эк понировалась в реакционной камере, запо ненной газообразным СОг при давлении 7, 5 торр в течение 42 мин, С 02 разлагалось св том с длиной волны 147 нм резонансной ла пой КсР - 2 А на СО и О. Элементное соде жание в поверхностном слое полиимида по, учено методом РФЗС. Данные приведены, в таблице и на чертеже. Как видно из та лицы, данные. отличаются незначительно и близки к орбитальным данным.П р и м е р 3, Полиимидная пленка на чертеже и в таблице обозначена под Мт 5) экспонировалась в реакционной камере, эа-Формула изобретенияСпособ исследования взаимодействия это арного кислорода с поверхностью матер ала. по которому экспонируют образец исс едуемого материала в потоке атомарного кислорода, получаемого из газовой среды путм фотораэложения ее ультрафиолетовым излучением, о т л и ч а ю щ и й с я тем,полненной газообразной смесью СО 2+ М 20 при давлении 8,1 торр в течение 45 мин при соотношении С 02 к И 20 10; 1, С 02 и М 20 разлагались светом с длиной волны 147 нм 5 резонансной лампой КсРА на СО, К 2 и О.Элементное содержание в поверхностном слое полиимида получено методом РФЗС, Данные приведены в таблице и на чертеже.Как видно из таблицы, они близки к орби тальным данным.П р и м е р 4. Полиимидная пленка (втаблице обозначена под М 7) экспонировалась в реакционной камере, заполненной газообразной смесью С 02+ И 20 при давле нии 8,5 торр в течение 90 мин при соотношении С 02 к И 20 25: 1, С 02 и К 20 разлагались светом с длиной волны 147 нм резонансной лампой КсР - 2 А на СО, М 2 и О.Элементное содержание в поверхностном 20 слое полиимида получено методом РФЗС,Данные совпали с предыдущим образцом.Как видно из таблицы, они близки к орбитальным данным,8 арьируя содержание 820 и С 02 в сме си можно повысить точность моделирования орбитальных условий в зависимости от высоты полета. Для орбиты с высотой 600- 700 км целесообразно испольэовать чистый С 02, для орбиты 200 - 300 км лучше исполь зовать смеси С 02 и И 20. Для сопоставления в таблице и на чертеже приведены так же данные по элементному содержанию в поверхностном слое35 полиимида до экспонирования и при иныхметодах воздействия: а) исходный полиимид М 1; б) в условиях. орбитального полета(3) - Нг; в) при воздействии кислороднойплазмы - И 6,40 Сопоставление экспериментальныхданных, полученных заявленным способом,с данными орбитального полета показывает.хорошее их совпадение. Это подтверждает,что заявленный способ более точно модели 45 рует взаимодействие атомарного кислородас полимерными материалами, что повышаетдостоверность и надежность результатовизмерений. что, с целью повышения достоверности при исследовании взаимодействия атомарного кислорода с полиимидными пленками, в качестве газовой среды используют газообразный С 02 или смесь С 02 и К 20 и фоторазложение осуществляют на спектрах фотопоглощения газовой фазы в диапазоне 105-220 нм.1793335 Характеристики Рст)-спектров каптона при равличних вовдействивх ат.2 ат.2 Отнесение компонент ат ат 12 2( Исходный полиинид 1 сходне полинид (3) Т3228 26,4 С(в С 1 роиатичроиатич;,8 Составитель В.Скуратдактор Т,Иванова Техред М. Моргентал Корректор со Заказ 500 Тираж Подписное ВНИИГ)И Государственного комитета по изобретениям и огкрьстиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 Производствено-издательский комбинат "Г)дтент", г. ужгород, уп.Гдгд(111 д, 10 285,3 37 286,3 27 288289,2 9, 291,8 3,