Способ определения стойкости материалов к воздействию атомарного кислорода

 

Изобретение относится к физическим методам исследования изменений поверхности материалов при воздействии потоков активных частиц, в частности к плазмохимии, радиационной химии и может быть применено в машинои приборостроении и в особенности при отработке аэрокосмической техники. Целью изобретения является повышение точности определения в наземных условиях стойкости материала к воздействию атомарного кислорода в условиях орбитального полета путем исключения погрешностей , связанных с наличием в реакционной камере загрязняющих, химически активных частиц кислорода. В способе определения стойкости материала к воздействию атомарного кислорода, заключающемуся в диссациации кислорода с образованием реакционной смеси, содержащей атомарный кислород, экспонировании образца материала в продуктах диссоциации в течение заданного времени, измерении уноса материала образца с последующим расчетом коэффициента уноса массы материала атомарным кислородом, газообразный кислород диссоциируют воздействием монохроматического ультрафиолетового излучения в интервале длин волн 102-242,4 нм и экспонируют образцы материалов при нескольких различных давлениях газообразного кислорода в реакционной камере Ррк. По замеренным данным определяют коэффициент уноса материала экспонированного образца для каждого давления, строят зависимость коэффициента уноса материала от Ррк. а коэффициент уноса массы материала атомарным кислородом принимают рэрным экстраполированному значению коэффициента уноса материала при Ррк 0.2 ил. чы fe 00 Ю VI ел 00 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК, (st)s G 01 N 17/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ llATEHTHOE

ВЕДОМСТВО СССР

{ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4816372/28 (22) 20.03.90 (46) 15.07;93. Бюл. М 26 (71) Научно-производственное объединение

"Молния" и Институт энергетических проблем химической физики АН СССР (72) Ю. И. Дорофеев, О, Н. Майоров, А. В.

Милинчук и 8. Е. Скурат (56) 8. Singh,, 1, Amore, W. Jaylor, В, Racette. i aboratory Simulation of Low Earth

orbital Atomic oxygen interaction with

spacecraft surfaces, AlAA .23 rd Aегоspace

Sciences Meeting, January 14-17, 1985/Репо. Nevada, AIAA — 85-0477. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТОИКОСТИ

МАТЕРИАЛОВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА . (57) Изобретение .относится к физическим методам исследования изменений поверхности материалов при воздействии потоков активных частиц, в частности к плазмохимйи; радиационной химии и может быть применено в машино- и приборостроении и в особенности при отработке аэрокосмической техники. Целью изобретения является повышение точности определения в наземных условиях стойкости материала к воздействию атомарного кислорода в условиях

Изобретение относится к физический методам исследования изменений-поверх- ности материалов при воздействии потоков

-активных частиц. в частности, в плаэмохимии, радиационной химии и может быть применено машино- и приборостроении и в . особенности при отработке аэрокосмической техники.

„„ Ц„„1827588 А1 орбитального полета путем исключения погрешностей, связанных с наличием в реак-. ционной камере нэагрязняющих", химически активных частиц кислорода. В . способе определения стойкости материала к воздействию атомарного кислорода, заключающемуся в диссациации кислорода с образованием реакционной смеси, содержащей атомарный кислород, экспонировайии образца материала в продуктах диссоциации в течение заданного времени,, измерении уноса материала образца с последующим расчетом коэффициента уноса массы материала атомарным кислородом, газообразный кислород диссоциируют воздействием монохроматического ультрафиолетового излучения в интервале длин волн 102 — 242,4 нм, и экспонируют образцы материалов при не. скольких различных давлениях газообразного кислорода в реакционной камере Ррк.

По эамеренным данным определяют коэффициент.уноса материала экспонированно- 2 го образца для каждого давления. строят зависимость коэффициента уноса материала от Ррк, а коэффициент уноса массы материала атомарным кислородом принимают QO равным экстраполированному значению коэффициента уноса материала при Ppx = О, 2 ил.

l(Л ! ®»

ОР.целью изобретения является повыше-: ыьр ние точности определения стойкости материале к воздействию атомарного кислорода путем исключения погрешностей, связан- ных с наличием в реакционной камере "загрязняющих", химически активных частиц кислорода.

1827588

Диссоциация газообразного кислорода в области поглощения ультрафиолетового излучения да порога иониэации кислорода при длине волны 102-242,4 нм обеспечивает увеличенный выход атомарного кислорода при снижении концентрации "загрязняющих" частиц. Длина Волны А = 102 нм — эта порог начала ионизации при фотодиссоциации молекулярного кислорода, а длина волн

А = 242,2 нм — это порог начала фотодиссо- 10 циации молекулярного кислорода. Проведение замеров уноса материалов при нескольких значениях давления обеспечивает получение последовательного ряда коэффициентов уноса материала, зная которые можно рассчитать более точно значения коэффициента унаса массы материала атомарным кислородом.

Нэ фиг. 1 представлена схема экспериментальной установки для осуществления данного способа; нэ фиг. 2 показан график зависимости коэффициента уноса массы материала от давления газообразного кислорода в реакционной камере Рр», поясняющий определение коэффициента унаса массы материала атомарным кислородом.

Экспериментальная установка включает реакционную камеру 1 диаметром 3 см.

На одном торце реакционной камеры размещено окно 2, прозрачное для вакуумного 30 ультрафиолетового света, перед которым размещена ксенановая резонансная лампа

КсР-2, испускающая монахроматическое излучение с длиной волны 147 нм, или криптоно-. вая резонансная лампа КрР-2, испускающая 35 монохраматическае излучение с длиной вол- ны 123,6 нм. Могут также использоваться другие резонансные источники ультрафиолетового излучения в диапазоне 102 — 242,4 нм, Интенсивность излучения 2,5 Е14 40 кбант/с п и площади светового потока не более 4 см . Реакционная камера заполнена газообразным кислородом, давление которого изменялось в ходе эксперимента, Образец испытываемого материала 3 закрепляется 45 на стенке реакционной камеры, Вместе с ним в реакционной камере размещается датчик 4 атомарного кислорода или образецсвидетель. За экспериментальным участкам реакционной камеры к ней присоединен отросток 5 для вымораживания продуктов травления. Выходной патрубак 6 может использоваться для присоединения масс-спектрометра

МХ-1302 для определения состава и количества образовавшихся продуктов травления не- 55 посредственно в ходе эксперимента, Образец

3 может закрепляться также на кварцевых микробалансовых весах, чта позволит кантролиравэтb унас материала в ходе эксперимента. Патрубок 6 используется для изменения давления газообразного кислорода в реакционной камере. Реакционная камера оборудована средствами измерения давления и температуры, необходимыми для проведения экспериментов, которые нэ рисунке не показаны, Пример, Образец пленки из ПММА толщиной 10 мкм и площадью 209 см с начальной массой 247 мг закреплен.на стенке реакционной камеры так, что его дальний конец находился на расстоянии 30 см от торца окна 2, а ближний на расстоянии 8. см.

Реакционную камеру заполнили газообразным кислородом с давлением 100 Па. Зажигаем ксеноновую резонансную лампу и экспонируем образец в течение времени т4000 с. По окончании экспонирования замеренный унос массы образца составил Л m =

=94.4 мкг. При давлении 100 Па практически все резонансное излучение поглотится в реакционной камере. Прй этом происходит реакция фотодиссоциации (1) и реакция тушения возбужденного состояния атомарного кислорода (2), О+ hм- 0(ЗР)+0(1D)

К2

0(1D) + 02 - 0(ЗР) + Oz(b Х д ) (2)

Ф = 0,98-о.оз

Реакция (2) протекает при первом же столкновении, так как К2 = (0,75+0,15) х Е-10 см / молекула с (4). Таким образом каждый квант света дает 2 атома 0(ЗР). При интенсивности csGTOBOIO потока 2,5 х Е14 фотонов/с всего будет генерироваться Ф=

=5 х Е14 атомов кислорода в секунду. Рассчетный коэффициент уноса массы материала в пересчете на атомарный кислород составит Re = Л m/t Ф. g (3), где g — плотность материала, Re=94,4/1,18х4000x5х Е14=40х Е-24 смз/атом О.

Понижая давление, проводим экспонирование образца при 90. 70, 40 и 30 Па. При

30 Па экспонирование было увеличено до

5000 с, Получены соответственно уносы массы 77, 66, 45, 42 мкг. По формуле (3) рассчитываем коэффициент уноса массы в пересчете на атомарный кислород для указанных давлений: 32,8 х Е-24, 28 х Е-24, 19,1х х Е-24 и 14,3 х Е-24 см /атом 0: Строим

3 график йе от давления Р». График приведен на фиг, 2, Экстрапалируем зависимость да

Pp» = 0 и получаем коэффициент уносэ массы материала при воздействии "чистого"

1827588 атомарного кислорода 4 х Н-24 см /атом О, Данная величина близка к значениям реакционной эффективности Re полиметилметакрилата, полученной при экспонировании на низкой околоземной орбите Re - 3,1 х 5 х Е-24 см /атом 0 (5), Это подтверждает, что предлагаемый способ позволяет достаточно точно определить стойкость материала к воздействию. атомарного кислорода в условиях низких околоземных орбит и может 10 быть использован для проверки материалов на стойкость при воздействии атомарного кислорода в наземных условиях. Сам метод достаточно прост, не требует сложного оборудования и может быть реализован в лю- 15 бых организациях, разрабатывающих космические аппараты и материалы для них

Формула изобретения

Способ определения стойкости материалов к воздействию атомарного кислорода 20 по которому при фотодиссоциации газообразного кислорода под действием ультрафиолетового излучения с образованием реакционной смеси. содержащей атомарный кис- лород, испытывается образец в продуктах дис- 25 социации, измеряется унос материале эа время испытания и определяется степень уноса материала образца относительно параметра, характерйзующего количество атомарного кислорода, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения в наземных условиях стойкости материалов к воздействию атомарного кислорода в условиях орбитального полета путем уменьшения посторонних примесей. в качестве ультрафиолетового излучения выбирают монохроматическое излучение в диапазоне длин волны 102-242,4 нм, испы- . тание.,образцов в продуктах диссоциации осуществляют при нескольких различных давлениях газообразного«ислорода, в качестве параметра, характеризующего количество атомарного кислорода, используют его давление, степень износа материала образца, определяют для каждого значения давления, и в качестве параметра, характеризующего стойкость материала, используют экстраполируемое значение коэффициента износа при давлении газообразного кислорода, . равного нулю.

1827588

Составитель -:Ю.Дорофеев

Техред M.Ìáðãåíòàë Корректор С,Патрушева

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2355 Тираж, Подписное

ВЙИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-Ç5, Раушская наб.. 4/5.