鋁金屬基底月塵被動(dòng)防護(hù)表面研究

張海燕，王 曉，李思新，王 鹢，王永軍，李存惠，王衛(wèi)東，朱應(yīng)敏，張 驥

(1.西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 西安 710071；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空與低溫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

0 引言

月球表面覆蓋著一層風(fēng)化層(土壤)，風(fēng)化層中約有20%的體積由直徑小于20mm的月塵顆粒組成，中值粒徑為70μm[1]。由于其體積小，月球重力低，很容易在任何干擾發(fā)生時(shí)傳播。從阿波羅時(shí)代起，月塵被美國(guó)航天局確定為成功完成未來(lái)探月任務(wù)的主要障礙[2-4]。月塵在探月任務(wù)中主要在三個(gè)方面會(huì)極大制約探月任務(wù)的順利安全執(zhí)行，第一方面是月塵顆粒粘附在與軸承和密封件接觸的機(jī)械設(shè)備部件上以及熱控表面等，導(dǎo)致密封機(jī)構(gòu)等災(zāi)難性的破壞[5-7], 第二方面是月塵顆粒覆蓋太陽(yáng)能電池板和光學(xué)元件，如透鏡和鏡子，降低了它們的光學(xué)性能[8-9]，第三方面是月塵表面鋒利且具有毒性，宇航員在月球行走執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，宇航服會(huì)被月塵劃傷后漏氣，宇航員月球行走后帶入登月艙的灰塵使取下頭盔的宇航員呼吸困難，且艙內(nèi)存在的月塵顆粒也會(huì)影響宇航員的視力[10-11]。無(wú)論對(duì)探月設(shè)備還是宇航員而言，月塵都是極大的障礙，因此在未來(lái)更長(zhǎng)時(shí)間的探月任務(wù)中，月塵對(duì)任務(wù)的順利進(jìn)行將造成極大的困擾。為了減輕月塵粘附在探月設(shè)備、密封機(jī)構(gòu)機(jī)械部件表面、宇航員的防護(hù)設(shè)備造成危害，需要深入研究月塵與探月設(shè)備接觸表面之間的粘附特性及主導(dǎo)因素，在月面活動(dòng)中有針對(duì)性地進(jìn)行月塵監(jiān)測(cè)和防護(hù)，降低月塵對(duì)探月設(shè)備或宇航員的危害，保障未來(lái)探月任務(wù)的順利執(zhí)行和安全實(shí)施。

月塵在月面受擾動(dòng)的機(jī)制分為自然機(jī)制和人為活動(dòng)兩種。自然機(jī)制主要是指月表發(fā)生的微流星體碰撞和月塵靜電懸浮，碰撞和懸浮后的月塵會(huì)污染探月設(shè)備功能表面[12]。在人為活動(dòng)引起的月球塵埃事例中，最嚴(yán)重的是火箭發(fā)射和著陸。在阿波羅12號(hào)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在距離著陸地點(diǎn)155m位置處的探測(cè)器表面發(fā)生了大量的灰塵積聚[13]。人為引起月塵擾動(dòng)的次要因素是月面的科學(xué)探測(cè)活動(dòng)，包括月表采樣、宇航員行走、月球車探測(cè)等，這些人類在軌活動(dòng)也會(huì)引起月塵擾動(dòng)[14-15]。在嫦娥三任務(wù)中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)著陸、月球車行走和自然機(jī)制引起的月塵沉積量進(jìn)行了在軌監(jiān)測(cè)，最終得出由發(fā)動(dòng)機(jī)著陸引起的月塵累積量為8.3mg/cm2,月球車行走和自然機(jī)制引起的月塵年累積量為21.4mg/cm2·y[16-17]。

近年來(lái)，隨著探月任務(wù)不斷推進(jìn)，NASA也開始征集相關(guān)的月塵監(jiān)測(cè)和月塵防護(hù)方案，旨在未來(lái)月球基地建立過(guò)程中和載人月球探測(cè)任務(wù)中可以做到很好的月塵防護(hù)，避免月塵對(duì)任務(wù)本身造成的困擾。目前月塵防護(hù)方式主要有主動(dòng)防護(hù)與被動(dòng)防護(hù)兩種方法，主動(dòng)防護(hù)主要有機(jī)械清除、流體清除和靜電清除三種[18]，雖然除塵效率高，但需要在軌進(jìn)行能源供給且裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易造成被防護(hù)設(shè)備損傷。因此，在軌探測(cè)設(shè)備表面可以使用被動(dòng)防護(hù)方式防護(hù)月塵損傷，此種防護(hù)方法成本低廉、簡(jiǎn)單可靠，在未來(lái)月塵防護(hù)中將會(huì)大量應(yīng)用。

1 月塵顆粒與鋁表面粘附力

月塵與鋁表面接觸時(shí)，通常會(huì)受到范德華力和重力共同作用。范德華力是由相鄰中性原子或分子相互感應(yīng)而產(chǎn)生的瞬時(shí)的極性所造成的粒子間的一種弱作用力[12]。微米、亞微米量級(jí)的顆粒與表面接觸時(shí)，顆粒會(huì)出現(xiàn)表面擠壓、變形、粘連等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象與宏觀尺度的接觸完全不同，此時(shí)兩種物質(zhì)之間的距離很小，分子和原子之間的電子云會(huì)因?yàn)檎饎?dòng)而極化，范德華力起主要作用。范德華力是一種近程力，在月塵顆粒距離粘附表面較遠(yuǎn)的情況下，其與壁面間的吸引效果最弱。通常情況下，范德華力的計(jì)算公式為[19]

(1)

其中，R為顆粒半徑，r為被防護(hù)表面粗糙微凸體半徑，H為哈梅克常數(shù)，z0為范德華力平衡間距，一般為0.4nm。

假設(shè)月塵顆粒為球形，則重力可表示為

(2)

其中，g為1.63m/s2。ρp為月塵顆粒密度取3.1952g/cm3[20]。通常情況下，月塵顆粒的粘附力遠(yuǎn)大于重力，且重力為月球自然環(huán)境引起的固有力，對(duì)于粘附力的優(yōu)化應(yīng)針對(duì)范德華力。

2 金屬表面月塵被動(dòng)防護(hù)

2.1 范德華力影響因素分析

由式(1)可知，范德華力的主要確定因素為哈梅克常數(shù)和月塵顆粒的粒徑這2個(gè)參數(shù)。對(duì)于月表特定粒徑的月塵而言，哈梅克常數(shù)減小會(huì)降低月塵顆粒與接觸表面之間的范德華力，而哈梅克常數(shù)是探月設(shè)備表面材質(zhì)的表面能的表征。因此，月塵顆粒的粘附力很大程度上取決于與之接觸表面材料的表面能和顆粒的粒徑。表面能是分離兩個(gè)表面所需的功，具體是指在分子尺度上，所接觸的兩個(gè)表面最初緊密接觸，將它們分開時(shí)抵抗分子間吸引力所做的功，最終直到接觸的兩個(gè)表面被無(wú)限遠(yuǎn)地分開。在月球空間中，月球高真空環(huán)境許多影響是顯而易見的，例如空氣阻力的不顯著性、缺乏滲透性問(wèn)題或排氣等。月球環(huán)境下，水蒸氣或氧氣分子的缺乏，也會(huì)影響許多材料的表面化學(xué)，因此材料的表面能會(huì)因處于真空中而受到顯著影響。例如，當(dāng)云母在高真空中時(shí)，表面能為γs≈4500mJ/m2，但當(dāng)在潮濕的實(shí)驗(yàn)室空氣中，表面能降至γs≈300mJ/m2[21]。眾所周知，超潔凈的金屬表面在高真空條件下接觸和(或)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)會(huì)形成“冷焊”。單層氧化物或其他污染物會(huì)阻止此類鍵的形成，還會(huì)顯著降低測(cè)量的表面能[22]。因此，在月球環(huán)境下，材料會(huì)表現(xiàn)出比地球上高得多的有效表面能。已有的研究證明，荷葉效應(yīng)中水滴會(huì)滑落荷葉表面是因?yàn)楹扇~表面的低表面能特性和納米結(jié)構(gòu)引起的粗糙度的變化。根據(jù)以上分析，從月塵防護(hù)角度來(lái)講，通過(guò)降低接觸表面的表面能并通過(guò)微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以降低月塵與探月設(shè)備功能表面的粘附力。

2.2 月塵被動(dòng)防護(hù)表面制備

目前用于月塵防護(hù)的技術(shù)可分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)兩種，主動(dòng)技術(shù)是那些旨在清潔表面或利用外力保護(hù)表面免受灰塵沉積的技術(shù)。流體、機(jī)械和電動(dòng)/靜電方法屬于這一類。流體方法是指使用液體、凝膠、泡沫和氣體將顆粒從表面帶走的方法。機(jī)械方法包括刷涂、吹氣、振動(dòng)和超聲波驅(qū)動(dòng)技術(shù)?；覊m控制中的電動(dòng)/靜電方法受到基于太陽(yáng)能的靜電懸浮機(jī)制的啟發(fā)，對(duì)不帶電或低電荷粒子的控制需要不同于通過(guò)光電發(fā)射和電子撞擊的自然充電的創(chuàng)造性充電機(jī)制。被動(dòng)技術(shù)是指在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行物理或化學(xué)預(yù)處理，以減輕灰塵吸引力，安裝后不使用外力的技術(shù)。這些減塵技術(shù)利用表面改性來(lái)減少灰塵層和被保護(hù)表面之間的粘附。應(yīng)用遮蔽物和防護(hù)罩來(lái)攔截一些表面上的灰塵沉積也屬于這一類[18]。

由于月球環(huán)境的特殊性，一些在地球上的常規(guī)機(jī)械除塵方法在月球上并不適用。比如在阿波羅計(jì)劃期間，普通條件下利用尼龍刷能夠很好的清除月球車散熱器表面粘附的月塵，但是在月球環(huán)境下，刷子并不能清除掉非常細(xì)小的顆粒，所以散熱器表面的熱性能還是會(huì)顯著下降[23]。除此之外，有研究學(xué)者利用液體沖洗的方法來(lái)清除月塵，但是月球上本身并沒(méi)有液態(tài)水，如果依靠航天器自身攜帶的液體來(lái)清除顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)楹教炱鞯谋砻嫦到y(tǒng)通常都是能量有限的，而且電動(dòng)防塵罩存在電氣或機(jī)械故障的可能性，所以不依賴于輸入能量的被動(dòng)除塵方法顯示出了一定的優(yōu)勢(shì)。

本研究通過(guò)設(shè)計(jì)一種低表面能的微納結(jié)構(gòu)表面來(lái)對(duì)探月設(shè)備進(jìn)行月塵防護(hù)，屬于被動(dòng)防護(hù)方法。其制備方法如下：首先，將鋁片切割為實(shí)驗(yàn)室用大小(20mm×20mm)，用砂紙打磨去除表面氧化層，用乙醇、超純水依次超聲清洗10min，吹干備用。以鋁片作陽(yáng)極，以相同尺寸的紫銅片作陰極，兩板間距20mm，面對(duì)面放置在0.2mol/L的NaCl溶液中。在1A/cm2和2A/cm2的電流密度下進(jìn)行電化學(xué)刻蝕120s和240s?？涛g完畢取出放在超純水中停止反應(yīng)。超聲清洗20min，取出后放在烘箱中150℃下加熱2h烘干。取出后的樣品再進(jìn)行全氟硅烷溶液的噴涂，最后得到低表面能微納結(jié)構(gòu)月塵防護(hù)表面。

2.3 月塵被動(dòng)防護(hù)表面防護(hù)效率測(cè)試

圖1為不同條件下制備的月塵防護(hù)表面。從圖1可知，通過(guò)電化學(xué)刻蝕法得到了具有納米結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)樣品，可以觀察到樣品表面的微納結(jié)構(gòu)存在，且不規(guī)則。

圖1 光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡下的形貌表征Fig.1 Morphology characterization under optical microscope and scanning electron microscope

通過(guò)接觸角測(cè)試儀分別測(cè)試了不同刻蝕時(shí)間和不同刻蝕電流條件下樣品表面的接觸角，可以直觀看到樣品表面被處理后的表面能變化。表1列出樣品在不同制備條件下的粗糙度測(cè)試結(jié)果。

表1 不同樣品粗糙度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Roughness test results of different samples

從表1可以得出，對(duì)于不同的制備時(shí)間和不同的電流密度，所得到的樣品表面粗糙度有所不同。在制備時(shí)間相同的條件下，電流密度增大會(huì)使得表面粗糙度增加；相同電流密度下，制備時(shí)間增加也會(huì)使得表面粗糙度增加。一般意義上，表面粗糙度越大，月塵顆粒與接觸表面之間的接觸面積越小，可以減小月塵粘附力。但針對(duì)粒徑較小月塵，經(jīng)過(guò)測(cè)試，繼續(xù)增大表面粗糙度不能提高月塵防護(hù)效率，因此粗糙度為2.444是最優(yōu)粗糙度。

表面粗糙度是影響表面構(gòu)型的一個(gè)重要參數(shù)，也會(huì)直接影響范德華力。為了得到粗糙度對(duì)范德華力的影響，需要對(duì)樣品進(jìn)行表面能測(cè)試，通過(guò)對(duì)比得到最優(yōu)表面能的樣品。本研究通過(guò)接觸角測(cè)試儀可獲得所制備樣品的表面能，所測(cè)得與水的接觸角如圖2所示。

圖2 不同樣品表面接觸角測(cè)試結(jié)果Fig.2 Contact angle results of different samples

由圖2可以得到，所有樣品表面接觸角都為疏水表面，測(cè)試過(guò)程中測(cè)得未經(jīng)過(guò)處理的鋁基表面接觸角為90.583°，因此可以得出經(jīng)過(guò)處理后的表面都不同程度降低了表面能，其具體表面能測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 不同樣品表面的表面能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Surface energy of different samples

從表2可以看出，經(jīng)過(guò)低表面能處理后的樣品表面的表面能都有一定程度的降低，樣品4的表面能最低。表2測(cè)試數(shù)據(jù)與圖2所得到的測(cè)試角測(cè)試結(jié)果一致，即樣品4的接觸角越大表面能越低。通過(guò)比較表1和表2可得，隨著刻蝕時(shí)間和刻蝕電流的增加，粗糙度越大，表面的微結(jié)構(gòu)表面積越大，使得相同低表面能涂層處理后粗糙度大的表面獲得的低表面能物質(zhì)多，從而實(shí)現(xiàn)降低范德華力的作用。

為了更加清晰地得知所設(shè)計(jì)表面的防塵性能，本研究通過(guò)翻轉(zhuǎn)法對(duì)樣品進(jìn)行防塵能力測(cè)試，通過(guò)翻轉(zhuǎn)法對(duì)防塵效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)中使用的模擬月塵為貴陽(yáng)理化所提供的樣品，其原理為：

(3)

其中，ma是測(cè)試前月塵樣品的質(zhì)量，mb是測(cè)試后月塵樣品的質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)中先通過(guò)振蕩器對(duì)月塵震蕩，不僅可以使樣品表面的月塵覆蓋均勻，還可以使得月塵顆粒通過(guò)摩擦帶電。整個(gè)月塵防護(hù)效率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)都采用貴陽(yáng)地化所制備的月塵模擬物CLD-i，其月塵特性參考文獻(xiàn)[24]。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所列，Mb1為旋轉(zhuǎn)30°測(cè)試后的樣品質(zhì)量，，Mb2為旋轉(zhuǎn)60°測(cè)試后的樣品質(zhì)量。

表3 月塵防護(hù)效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of lunar dust protection efficiency test

從表3可以得到在翻轉(zhuǎn)角度分別為30°和60°時(shí)，樣品表面剩余的月塵質(zhì)量，由式(3)計(jì)算不同樣品表面的月塵清除效率，計(jì)算結(jié)果如表4所列。

表4 不同樣品表面月塵防護(hù)效率Tab.4 Lunar dust protection efficiency of different samples

表4計(jì)算得出了30°和60°翻轉(zhuǎn)角度下不同樣品的防塵效率。4種樣品表面相比未處理過(guò)的鋁基表面，月塵防護(hù)效率都有所提升。30°和60°翻轉(zhuǎn)角度條件下，樣品4的防塵效率最高為58.41%，結(jié)合表2可得出樣品表面的表面能越低，則月塵防護(hù)效率越高，但是防塵效率最高未超過(guò)60%，究其原因，可能的推測(cè)結(jié)果有以下2點(diǎn)：1)為了使得樣品表面的月塵均勻分布于樣品表面，使用振蕩器對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試前處理，振蕩過(guò)程中月塵顆粒會(huì)發(fā)生摩擦帶電現(xiàn)象，使得月塵的粘附力中靜電力項(xiàng)有所增加，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法測(cè)得實(shí)際的電荷情況以及電荷是否泄放，使得實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中代入了靜電力這一項(xiàng)，對(duì)范德華力項(xiàng)有所影響；2)整個(gè)實(shí)驗(yàn)在地面進(jìn)行，沒(méi)有測(cè)得在真空環(huán)境下對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，也會(huì)引入相應(yīng)的誤差項(xiàng)。

3 結(jié)論

文章首先根據(jù)月塵顆粒與接觸表面的粘附力理論模型得出范德華力是影響粘附力的主要因素，針對(duì)范德華力公式中的參數(shù)，可以得出通過(guò)降低接觸表面的表面能和接觸表面的面積進(jìn)行范德華力優(yōu)化?；谝陨侠碚摲治?，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)電化學(xué)刻蝕結(jié)合低表面能物質(zhì)噴涂方式的月塵被動(dòng)防護(hù)方法。通過(guò)設(shè)定不同的制備工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了4種具有微納結(jié)構(gòu)的低表面能樣品，分別測(cè)試了4種表面的表面能，通過(guò)在2A/cm2的電流密度條件下對(duì)表面進(jìn)行4min的電化學(xué)刻蝕后，再對(duì)表面進(jìn)行低表面能涂層涂覆，可以得出此表面的表面能最低，最終得到的防塵效率也越高。為了驗(yàn)證所制備表面的防塵效率，在地面建立了測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，最終得出翻轉(zhuǎn)角度為60°時(shí)的最優(yōu)防塵效率為58.41%。通過(guò)本研究可知，在無(wú)源條件下月塵被動(dòng)防護(hù)方法也可以極大提高月塵防護(hù)效率，為后續(xù)月球探測(cè)任務(wù)中月塵防護(hù)提供新的思路。

月球高真空、高低溫環(huán)境這些因素對(duì)樣品表面性能會(huì)產(chǎn)生影響，為了可以獲得更加準(zhǔn)確可靠的月塵防護(hù)效率數(shù)據(jù)，在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)所制備的表面在真空環(huán)境下測(cè)試，對(duì)比防護(hù)表面在地球環(huán)境和月球環(huán)境下的性能差異，為后續(xù)月塵防護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)。除此之外，在后續(xù)研究中，在基于鋁金屬作為基底材料條件下，需要對(duì)在軌不同的探月設(shè)備功能表面進(jìn)行月塵防護(hù)研究，設(shè)計(jì)出適合不同探月設(shè)備功能表面的月塵防護(hù)方法，為未來(lái)探月任務(wù)的月塵防護(hù)提供定制化的月塵防護(hù)產(chǎn)品。