Способ определения стойкости материалов к воздействию атомарного кислорода Советский патент 1993 года по МПК G01N17/00 

Изобретение относится к физическим методам исследования изменений поверхности материалов при воздействии потоков активных частиц, в частности, в плазмохи- мии, радиационной химии и может быть применено машино- и приборостроении и в особенности при отработке аэрокосмической техники.

Целью изобретения является повышение точности определения стойкости материале к воздействию атомарного кислорода путем исключения погрешностей, связан- ных с наличием в реакционной камере загрязняющих, химически активных частиц кислорода.

Диссоциация газообразного кислорода в области поглощения ультрафиолетового излучения до порога ионизации кислорода при длине волны 102-242,4 нм обеспечивает увеличенный выход атомарного кислорода при снижении концентрации загрязняющих частиц. Длина волны А 102 нм - это порог начала ионизации при фотодиссоциа- ции молекулярного кислорода, а длина волн Я 242,2 нм - это порог начала фотодиссо- 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 уноса массы материала атомарным кислородом.

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

Экспериментальная установка включает реакционную камеру 1 диаметром 3 см. На одном торце реакционной камеры размещено окно 2, прозрачное для вакуумного ультрафиолетового света, перед которым размещена ксеноновая резонансная лампа КсР-2, испускающая монохроматическое излучение с длиной волны 147 нм, или криптоновая резонансная лампа КрР-2, испускающая монохроматическое излучение с длиной волны 123,6нм. Могут также использоваться другие резонансные источники ультрафиолетового излучения в диапазоне -102-242,4 нм. Интенсивность излучения 2,5 Е14 кбант/с при площади светового потока не более 4 см .Реакционная камера заполнена газообразным кислородом, давление которого изменялось в ходе эксперимента. Образец испытываемого ма гериала 3 закрепляется на стенке реакционной камеры. Вместе с ним в реакционной камере размещается датчик 4 атомарного кислорода или образец- свидетель. За экспериментальным участком

реакционной камеры к ней присоединен отросток 5 для вымораживания продуктов травления. Выходной патрубок б может использоваться для присоединения масс-спектрометра MX-1302 для определения состава и количества образовавшихся продуктов травления не- посредственно в ходе эксперимента. Образец 3 может закрепляться также на кварцевых микробалансовых весах, что позволит контролировать унос материала в ходе экспери5

0 5

0 5 0 5

0

5

мента. Патрубок 6 используется для изменения давления газообразного кислорода в реакционной камере. Реакционная камера оборудована средствами измерения давления и температуры, необходимыми для про- ведения экспериментов, которые на рисунке не показаны.

Пример. Образец пленки из ПММА толщиной 10 мкм и площадью 209 см2 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 t 4000 с. По окончании экспонирования замеренный унос массы образца составил A m 94,4 мкг. При давлении 100 Па практически все резонансное излучение поглотится в реакционной камере. При этом происходит реакция фотодиссоциации (1) и реакция тушения возбужденного состояния атомарного кислорода (2).

0 + (3P) + 0(1D)(1)

Кг 0(10)+02 0(ЗР) + 02(Ь1 д4) (2)

,98-о.оз+0 02

Реакция (2) протекает при первом же столкновении, так как Кг (0,75+0,15) х Е-10 см / молекула с (4). Таким образом каждый квант света дает 2 атома 0(ЗР). При интенсивности светового потока 2,5 х Е14 фотонов/с всего будет генерироваться Ф 5 х Е14 атомов кислорода в секунду. Рас- счетный коэффициент уноса массы материала в пересчете на атомарный кислород составит Re Дт/t Ф. q (3), где q - плотность материала.

Re 94,4/1,18х4000х5хЕ14 40 хЕ-24 см3/атом 0.

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 см3/атом 0. Строим график Re от давления Рк. График приведен на фиг. 2. Экстраполируем зависимость до Ррк 0 и получаем коэффициент уноса массы материала при воздействии чистого

атомарного кислорода 4 х Н-24 см3/атом 0. Данная величина близка к значениям реакционной эффективности Re полиметилме- такрилата, полученной при экспонировании на низко- околоземной орбите Re 3,1 х 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 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- бых организациях, разрабатывающих космические аппараты и материалы для них Формула изобретения Способ определения стойкости материалов к воздействию атомарного кислорода по которому при фотодиссоциации газообразного кислорода под действием ультрафиолетового излучения с образованием реакционной смеси, содержащей атомарный кислород, испытывается образец в продуктах дис-

социации. измеряется унос материала за время испытания и определяется степень уноса материала образца относительно параметра, характеризующего 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, испытание--образцов в продуктах диссоциации осуществляют при нескольких различных давлениях газообразного кислорода, 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.

Изобретение относится к физическим методам исследования изменений поверхности материалов при воздействии потоков активных частиц, в частности к плазмохи- мии, 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 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

8$

ъ.

/

М

80

3ff0

Фие. 1

to

1827588 ХУ(/ (7

. Д

#Я2.Ј

00 П&