材料表面放电试验方法

1、材料表面放电实验方法的研究材料表面放电实验方法的研究 指导老师：陈琪 介绍人：沈健博一、综述 航天器在空间运行过程中, 受到周围等离子体、高能带电粒子的轰击以及太阳电磁辐射引起的光电子发射等影响, 在航天器表面沉积一定数量的电荷, 从而引起航天器表面充电。 美国 SCATHA 卫星在发射升空后得到的试验数据表明, 经过在空间环境中数月的运行, 材料介电性能发生了惊人的变化, 其中Kapton试样的电阻率呈指数衰减。 由此可看出, 研究长寿命卫星用表面材料在空间环境下的充放电特性是很有必要的。对于功能材料, 严重的表面放电会改变其热控性能和其他物理性能。 另外, 表面带电也使污染加速, 导致表面

2、性能改变, 其中表面光学性能的改变可导致温度升高。 通过材料选择可以减小表面带电或不等量带电, 从而减少卫星带电造成的危害, 其中对材料充放电特性进行测试与评估是材料选择的重要依据。二、 空间材料的充放电特性 2. 1 材料表面带电及相关参数 航天器在轨运行期间, 其表面介质材料与空间粒子相互作用时, 就材料本身而言, 如果出射电荷数与入射电荷数不同, 即材料表面的电荷平衡被破坏时, 将有净电荷沉积于材料表面而发生表面带电。 卫星用材料的带电特性如表面电位、 带电速率等取决于材料本身的一些特性, 主要有介质电阻率、介质厚度、介电常数、表面电阻率、二次电子发射系数、光电子发射系数等。2. 2 静

3、电放电 当电荷积累使场强超过介质材料击穿阈值时, 将发生材料击穿, 并产生静电放电电磁脉冲, 该脉冲耦合进入卫星系统时, 导致卫星异常或故障。航天器由于材料带电发生静电放电的形式主要有 2 种。 (1) 表面放电。满足下面任一条件时, 就有可能发生表面静电放电 1) 介质表面相对于一相邻的外露导体电压大于 500 V ; 2) 介质与一外露导体界面间电场强度大于 (2) 嵌入电荷击穿。电荷有足够的能量可以穿透介质表面并进入内部, 尽管介质表面可能由于光电子或二次电子发射而维持近似零电位, 材料内部仍存在很强的电场, 当该电场足够大时将发生嵌入电荷击穿。 通常, 当内电场超过 时则可能发生击穿,

4、 嵌入电荷击穿将导致电子诱导电磁脉冲(ECEMP) 。三、空间材料充放电特性的评估方法和表征参数 为了控制航天器带电, 要求对空间材料的充放电特性进行评估, 其技术指标及采用的方法可参考专门的航天器带电设计指南及相关标准。目前用于空间材料充放电特性评估的主要方法有: 1) 空间充放电效应的原位监测; 2) 借助于地面模拟试验装置及专门的测试系统进行评价; 3) 利用计算机软件进行计算分析。 地面模拟试验评价对于航天器防带电设计的选材具有重要作用。 需要强调的是, 材料表面状况及其接地与否, 对通过试验得到的充放电特性数据有着很大的差异, 而环境参数常参照国际上惯用的航天器带电最恶劣环境参数。

5、卫星用材料充放电特性参数有: 1) 充电参数有表面电位、漏电流、充电速率等; 2) 放电参数有击穿阈值、放电频数、 脉冲幅度、 放电场强、 脉冲上升沿时间、 脉冲宽度、 放电频谱、 放电能量等。 其中材料在带电环境中的表面平衡电位, 作为表征其充放电特性的宏观参数, 是材料最重要的参数, 也是地面模拟试验和空间原位监测的主要参数。由于材料表面状况及材料结构对其充放电特性数据有较大的影响。四、空间材料表面充放电特性的试验评估4.1 实验装置 根据空间材料表面充放电模拟试验评估要求而建立的试验装结构如图 1 所示。 对于地面试验, 首先必须提供能够摸拟空间带电环境的试验设备, 其次是具备测量材料表

6、面充放电特性参数的测试系统。在本试验装置中, 通过设计散焦结构的电子枪, 可模拟空间带电的电子环境, 利用介质容器实现静电放电脉冲的定量测量。由于地面带电模拟的是空间材料的最坏充放电情况, 因此在该装置中未使用模拟太阳源和低能电子枪。4. 2 空间材料表面充电电位的测量方法 空间材料表面充电电 位的测量是表 征其充电特 性的主要 手段。通常, 表面电位的测量采用非接触测量法。为了能够进行真空条件下试验样品表面电位的原位测量, 研制了专门的振动电容型表面电位计。其工作原理是: 当探测电极与待测表面距离一定时, 电极与样品表面组成一个电容系统。通过机械传动的方法使该电容发生周期性变化, 从而在探测

7、极上测量到一交变的电流信号, 将此信号放大、 检波后输出, 即可得到一与样品表面电位有关的电流信号。 实际测量中, 电极与待测表面距离一定, 通过测量已知电位的带电表面, 可得 i - U 曲线; 而在进行未知电位的表面测量中, 根据测量到的 i 值, 通过上述 i - U 曲线查出对应的 U 值。图 2 所示为振动电容型表面电位计的结构示意图。4. 3 空间材料表面静电放电信号的测量 空间材料的静电放电特性与其充电特性有很大关系。材料表面所贮存的电荷常常经由接地回路或表面电弧喷发并泄放。典型的静电放电脉冲讯号宽度在 0. 05 至几微秒间, 该讯号在脉冲接收回路中激起的瞬态过程, 经常伴随着

8、幅度衰减的振铃波, 其衰减振荡特性与回路的阻抗特性有关。在放电过程中, 材料表面泄放的能量仅占其储存能量的一小部分, 大量的地面试验研究指出, 材料表面的电弧放电常常是多 支的而且像闪电,通常先在一点击穿并形成放电通道, 放电造成的电弧扩散即大量的电荷发生迁移。而放电对于卫星的破坏机理及破坏程度是大不相同的, 这与使用的材料、接地方式及电弧传导途径等诸多因素有关。 已有研究发现, 材料发生放电时, 释放的电荷与样品面积成正比,放电峰值电流与辐射能量成正比, 放电波形脉宽与辐射能量成反比。从材料的二次电子发射特性考虑, 放电特性还与入射电子的能谱有关。对空间材料的放电特性进行全面分析研究, 从中

9、可得到许多有益于卫星防带电设计的数据和结论。对放电讯号的分析不能用样品系统的储能或静电场去估计, 而只能用放电瞬间的电场和磁场传输的能量去衡量 经过分析和研究, 用ESD讯号的场强、频率特性及一次放电能量来表征空间材料的表面静电放电特性更为合理。静电放电脉冲测量过程如图 3 所示。五 、典型空间材料充放电特性试验结果 利用上述空间材料表面充放电特性试验评估装置, 对几种卫星常用表面材料的充放电特性进行了试验研究, 并据此分析进行本项试验工作的一般方法及其要求。试验结果如表 1 所列。 图 4 为实际测量到的卫 星用材料 G D - 414 表面高充电情况下的静电放 电波形。 图 5 所示为美国SCHA T H 卫星在轨测量到的材料静电放电波形, 可以看出, 二者有较好的一致性。六、结论 通过多年的试验研究, 已建造了较为完善的用于空间材料表面充放电特性试验评价的设备, 并逐步形成了一套有效试验方法, 目前正在制订相关的试验规范。数年来, 已完成了我国多个卫星型号的表面材料充放电特性试验评价工作。试验结果及数据应用表明, 利用本文介绍的试验设备, 可以较好地评价空间材料表面充放电特