1、引言
熱控涂層是航天器熱控系統(tǒng)的重要組成部分,它能夠改變航天器的表面熱物理性質(zhì)，以便在輻射熱交換中有效地控制航天器的溫度，使之在內(nèi)外熱交換過(guò)程中，內(nèi)部?jī)x器、設(shè)備工作時(shí)的溫度不超過(guò)允許范圍，以保證航天器內(nèi)部的正常工作環(huán)境。其原理是調(diào)節(jié)物體表面的太陽(yáng)吸收率αs 和紅外發(fā)射率εh 來(lái)控制物體的熱平衡。地球同步軌道（GEO）存在的地磁亞暴環(huán)境有嚴(yán)重的充放電效應(yīng)，極地軌道的沉降電子會(huì)造成電荷在衛(wèi)星表面熱控涂層上積累，當(dāng)超過(guò)擊穿閾值時(shí)，衛(wèi)星表面將發(fā)生放電，這將對(duì)衛(wèi)星帶來(lái)極大的破壞作用。由于衛(wèi)星外表面大部分被用于溫控的熱控涂層所覆蓋，所以可以通過(guò)提高熱控涂層的導(dǎo)電性能來(lái)達(dá)到防靜電的目的，如在鏡反射熱控涂層外表面鍍一層氧化銦錫（ITO）透明導(dǎo)電薄膜、在涂料型熱控涂層中添加導(dǎo)電組分等。具有導(dǎo)電性能的熱控涂層也被稱為防靜電熱控涂層，如ITO/F46/Ag熱控涂層等。
然而，熱控涂層在大氣下與在真空狀態(tài)下的性能存在較大差異，從真空狀態(tài)進(jìn)入大氣中后，其電學(xué)性能存在一定的回復(fù)效應(yīng)。這說(shuō)明真空環(huán)境對(duì)熱控涂層的性能有著較大影響。
本文系統(tǒng)研究了紫外輻照前后真空環(huán)境對(duì)防靜電熱控涂層電學(xué)性能的影響，并提出了產(chǎn)生這種影響的原因，給出了研究輻照環(huán)境對(duì)防靜電熱控涂層電學(xué)性能影響過(guò)程中的數(shù)據(jù)分析建議。
2、輻照試驗(yàn)
本試驗(yàn)在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的空間綜合環(huán)境設(shè)備上進(jìn)行。試驗(yàn)樣品分別為ITO/Kapton/Al、ITO/F46/Ag、OSR 二次表面鏡，每種試驗(yàn)樣品的數(shù)量為2 個(gè)；其中ITO 膜厚度為0.1 μm，位于熱控涂層的最外層。當(dāng)真空度達(dá)到10-3 Pa 后，開啟紫外源；當(dāng)紫外輻照達(dá)到500 ESH 后，關(guān)閉紫外源。分別在輻照前的大氣狀態(tài)、高真空狀態(tài)、紫外輻照25 ESH、500 ESH、輻照后大氣狀態(tài)以及大氣狀態(tài)一段時(shí)間后測(cè)量樣品的表面電阻率。試驗(yàn)所用的近紫外源為1000W汞氙燈，利用太陽(yáng)模擬器輻照裝置，具體試驗(yàn)參數(shù)見表1。
圖為：真空紫外輻照試驗(yàn)參數(shù)表 表面電阻率采用原位測(cè)量，其測(cè)試原理圖及測(cè)試裝置圖分別見圖1 和圖2。用GENESIS 60S型X 射線光電子能譜儀（XPS）對(duì)熱控涂層的ITO膜層氧的存在進(jìn)行了分析，用TSPTT-200 型四極質(zhì)譜儀對(duì)輻照前后的涂層放氣情況進(jìn)行了分析。
圖一二為：表面電阻率原位測(cè)試、布置示意圖
3、試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 從大氣狀態(tài)到紫外輻照前期
分別在大氣狀態(tài)下、真空度2.6×10-3Pa 和紫外輻照25ESH后對(duì)3種防靜電熱控涂層進(jìn)行表面電阻率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖3～圖5。其中每種涂層2組圖形的差別可能由于輻照度及樣品本身的不均勻性導(dǎo)致，但變化規(guī)律是一致的。
由圖3~圖5為： 從大氣到輻照前表面電阻率的變化示意圖 ，可知，樣品從大氣環(huán)境進(jìn)入真空狀態(tài)后，表面電阻率降低；當(dāng)紫外輻照25 ESH 后，表面電阻率進(jìn)一步降低。
3.2 紫外輻照后期至大氣狀態(tài)
分別在紫外輻照500 ESH、由真空回至大氣狀態(tài)以及大氣狀態(tài)一段時(shí)間后對(duì)3 種防靜電熱控涂層進(jìn)行表面電阻率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別見圖6～圖8。
由圖6～圖8 為：紫外輻照后期至大氣狀態(tài)圖，分析可知：樣品從真空狀態(tài)進(jìn)入大氣狀態(tài)后，表面電阻率升高；當(dāng)在大氣環(huán)境中放置一段時(shí)間后，表面電阻率進(jìn)一步升高。
4、機(jī)理研究
ITO薄膜的導(dǎo)電性緣于它是一種N型半導(dǎo)體，高導(dǎo)電率主要是由于高電子濃度的緣故。ITO 薄膜中的載流子主要來(lái)自于銦摻錫和形成氧空位而處于弱激發(fā)狀態(tài)的電子。當(dāng) Sn4+進(jìn)入In2O3 的晶格時(shí)，很容易取代In3+的位置形成替位固溶體。當(dāng)Sn4+置換部分In3+時(shí)，為保證電中性，易變價(jià)的Sn4+將捕獲一個(gè)電子而變成（Sn4++e），即Sn3+。這個(gè)電子與Sn3+的聯(lián)系是弱束縛的，是載流子來(lái)源之一。
同時(shí)在ITO薄膜中還存在著另外一種缺陷，這就是氧空位。In2O3 中的部分氧離子O2-脫離原晶格，即形成氧空位。
氧空位相當(dāng)于一個(gè)帶正電荷的中心，能束縛電子。被束縛的電子處于氧離子空位上，為鄰近的In3+所共有，它的能級(jí)距導(dǎo)帶很近，當(dāng)受激發(fā)時(shí)該電子可躍遷到導(dǎo)帶中，因而使ITO 薄膜具有導(dǎo)電性。
對(duì)防靜電熱控涂層進(jìn)行XPS（X射線光電子譜）分析，研究其氧元素的存在狀態(tài)，對(duì)其氧元素分峰，見圖9輻照前o元素能譜峰圖。
由圖9可以看出，輻照前薄膜表面的O 1s_a峰和O 1s_c 峰分別對(duì)應(yīng)于足氧狀態(tài)和缺氧狀態(tài)：低結(jié)合能的O 1s_a 峰代表了In2O3 晶格中氧原子，即In—O 鍵中的氧；O 1s_c 峰代表著ITO 膜中氧空位的數(shù)目，而氧空位直接同薄膜中的載流子濃度數(shù)量相關(guān)。通常認(rèn)為，一個(gè)氧空位提供2 個(gè)自由電子，并在能帶結(jié)構(gòu)中引入施主雜質(zhì)能級(jí)。
對(duì)紫外輻照前后的防靜電熱控涂層進(jìn)行氧元素質(zhì)譜實(shí)時(shí)檢測(cè)分析（圖10），虛線為本底無(wú)涂層狀態(tài)紫外輻照下的情況，實(shí)線為放入樣品后紫外輻照下的情況。由對(duì)比可知，紫外輻照開始后，存在著一段時(shí)間的氧元素的釋放，這說(shuō)明在紫外輻照下，防靜電熱控涂層ITO膜層可能存在著化學(xué)吸附氧的析出。
圖為：紫外輻照后o元素放氣情況
由于ITO 膜中存在氧空位缺陷，大氣條件下，表面存在著對(duì)氧的化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附氧的存在減少了導(dǎo)帶中自由電子的數(shù)量。隨著真空度的提高，化學(xué)吸附氧的數(shù)量將逐漸減少，從而使涂層的表面電阻率降低。當(dāng)對(duì)其進(jìn)行紫外輻照后，在紫外輻照的作用下，化學(xué)吸附氧獲得能量進(jìn)一步解吸附，同時(shí)ITO 膜價(jià)帶中的束縛電子也將吸收輻照能量躍遷到導(dǎo)帶，從而使得ITO 膜導(dǎo)帶中的自由電子增多，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，表面電阻率降低。
當(dāng)將紫外輻照后的防靜電熱控涂層從真空狀態(tài)下轉(zhuǎn)回大氣中，ITO 膜層中的氧空位缺陷又將開始吸附氧，從而減少了導(dǎo)帶中的自由電子數(shù)量，引起導(dǎo)電性能下降，表面電阻率升高；隨著在大氣狀態(tài)中放置的時(shí)間增長(zhǎng)，氧空位缺陷的吸附氧數(shù)量將進(jìn)一步增加，表面電阻率也將進(jìn)一步增加，直到吸附氧達(dá)到飽和。
5、討論
摘要：文章通過(guò)試驗(yàn)研究了近紫外輻照前后的真空環(huán)境對(duì)防靜電熱控涂層的電學(xué)性能影響，探討了真空環(huán)境對(duì)防靜電熱控涂層電學(xué)性能影響的機(jī)理，給出了地面模擬試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)于數(shù)據(jù)分析的建議。研究發(fā)現(xiàn)：真空環(huán)境將引起防靜電熱控涂層的表面電阻率降低、導(dǎo)電性能增強(qiáng)，而氧空位的增加和吸附氧的釋放則是其表面電阻率降低的主要原因。
由上面的研究分析可以知道，真空環(huán)境對(duì)防靜電熱控涂層的導(dǎo)電性能有著重要的影響。在紫外輻照前，隨著真空度的提高，ITO 防靜電熱控涂層的表面電阻率將降低；而輻照后從真空狀態(tài)下恢復(fù)到大氣狀態(tài)后，其表面電阻率又將增大。分析原因，是由于ITO 半導(dǎo)體膜層中存在氧空位的緣故。所以，防靜電熱控涂層隨航天器從地面發(fā)射升空后，其初期的導(dǎo)電性能將比在地面時(shí)有所提高。
在對(duì)防靜電熱控涂層導(dǎo)電性能的地面模擬試驗(yàn)中，由于在紫外輻照初期存在著吸附氧繼續(xù)解吸的可能，因此在數(shù)據(jù)分析時(shí)，未輻照或者短期輻照的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不適宜用來(lái)擬合分析涂層導(dǎo)電性能的長(zhǎng)期退化趨勢(shì)。
