O型圈适用范围的确很广，它涉及到了全世界各个领域的产品中的重要样本，体积轻小，但发挥作用很多，是现代工行业不可缺少的一种重要零部件之一。突然发现，有专业人员对O型圈的原子氧剥蚀效应进行了实验，通过对O形圈的原子氧暴露实验研究,发现经过原子氧作用后，O型圈的表面粗糙度和质量损失率均随原子氧等效累积通量的增大而增大。

　　低地球轨道( LEO) 的空间环境主要由 N2、 O2、Ar、 He、 H 和原子氧AO( atomic oxygen) 组成，其中原子氧的含量Z高,大约占80%。原子氧不仅具有很强的氧化性，而且当飞行器以轨道速度在LEO 中运行时，原子氧以( 7~ 8) km/ s 的相对速度撞击材料的表面， 其撞击材料的平均动能可达( 4~ 5) eV，这个过程会造成表面材料剥蚀( surface material erosion)及材料性能退化( material degradat ion) ，从而引起材料使用效果发生变化。对于硅橡胶材料来讲，目前G内外关于其原子氧剥蚀效应的研究成果较少，因此有必要对其原子氧的剥蚀效应进行研究。

　　O形圈密封由于其结构简单、密封可靠而被广泛使用。在航空和航天器中, 也经常采用这种密封结构，如飞机和载人飞船的舷窗大多使用这种结构，空间站生物舱的舱门亦采用O形圈密封。O形圈材料一般为橡胶，由于橡胶是高分子聚合物,空间的各种环境条件特别是原子氧对其密封性能的影响不可忽视。

　　地面模拟实验是除空间暴露实验外应用颇为广泛的一种原子氧剥蚀效应的研究方法,与空间实验相比，其优点是限制费用低、周期短、条件少、目前工程上大量使用的是等离子体型设备。这类设备所得到的关于原子氧材料剥蚀效应以及数据与LEO 暴露实验可以定性地吻合，能够定性的了解原子氧能量、通量和环境粒子对材料性能等的影响, 为空间材料的选择和评定提供应用和设计依据。通过北航流体力学研究所研制的灯丝放电磁场约束型(IFM) 原子氧效应地面模拟设备模拟空间 LEO 环境,对硅橡胶材料O形圈在原子氧作用前后的性能进行了实验研究。

　　1、实验设备

　　本实验用的IFM 原子氧效应地面模拟设备属于目前G内外LEO 环境原子氧效应研究中Z为常用的等离子体型设备,所获得的材料的剥蚀效果、氧化程度、表面形貌等都与G外的空间暴露实验或地面模拟实验结果基本相似。

　　IMF设备的特点是造价低、通量大、设备简单、能量容易控制，整套设备由真空测量系统、真空机组系统、充气系统、氧等离子装置、粒子能量选择与控制系统、样品支撑系统和参数诊断系统组成。该设备核心部分是氧等离子体装置，它属于目前GJ上等离子体物理研究中发展比较迅速、应用也较广泛的表面约束等离子体装置。

　　实验设备的工作原理是：通过流量控制器控制氧气的流入量，使真空室达到一定的工作气压，然后通电加热阴G灯丝，达到适当的温度后灯丝表面开始发射电子，在阳G( 真空室壁) 和间放电电压的作用下，被加速到足够能量的电子与工作气体O2分子发生碰撞, 使氧电离从而形成氧等离子，其中主要成分有：O、e、O2、O2O、等。设备是用

　　表面约束磁场提高等离子体密度,用偏压系统控制和选择氧离子能量。

　　2、 原子氧通量的测量

　　目前G内外有关原子氧暴露的研究中，原子氧通量的准确测量这个难题还尚未根本解决，本实验以标准材料Kapton 为标准，通过Kapton 的质量损失作为模拟设备中原子氧等效累积通量的计算依据。Kapton 是在空间应用非常广泛的一种聚合物材料,也是空间暴露实验以及地面模拟实验研究的重点材料之一,它在空间原子氧的作用下剥蚀比较严重, 这种材料具有公认的基本上不随其它条件如通量、厚度等参数的变化而变化的剥蚀率( erosion field) Ey，一般取 E y= 3. 0 @ 10- 24cm3/ atom，而且其质量变化随原子氧累积通量的增大基本呈线性增加, 因此,Kapton 材料的质量损失常用来作为模拟设备中原子氧等效累积通量的计算依据以及其他材料剥蚀程度的比较标准。本文计算原子氧等效累积通量就是通过Kapton 材料的质量损失推算得到的：

表 1 O形圈暴露原子氧前后质量变化情况

　　公式中： F ：等效原子氧累积通量;∆M - Kapton材料的质量损失; Q-实验材料的密度; A -试样的面积;t -暴露的时间; Ey -Kapton 材料的剥蚀率。

　　已知Kapton 材料的 Ey = 3. 0 ×10- 24cm3/ atom，

　　并且实验后经测量可以得到Kapton 材料的质量损失∆M，这样根据实验时间就可以计算出作用到试样上原子氧的等效累积通量。

　　3、实验结果及分析

　　对两种不同批号的硅橡胶材料O形圈(硅橡胶863-3-1、 硅橡胶863 -3 -3)进行原子氧作用时间长短不同的实验;实验前后对样品质量进行了测量，称重所使用的天平为DT-100分析天平，精度0.100005g。

　　原子氧暴露实验时的温度为常温,O形圈在实验之前先用脱脂棉蘸酒精擦拭,然后用酒精清洗,用细铜丝将O形圈固定于 IFM 原子氧效应地面模拟设备的样品架上。实验结果见表1：

图 1O形圈质量损失率与原子氧作用时间关系曲线

　　空间LEO 环境高度范围为200~ 600 km，在原子氧地面模拟实验中，原子氧等效累积通量5.3×1020atoms/ cm2相当于硅橡胶材料O形圈在空间LEO环境暴露时间在200 km 高度时为14712 h、 在 600km高度时为147222 h 的原子氧作用量。表 1 中的序号1、 2、 3 实验的原子氧作用时间为10h，序号4、 5实验的原子氧作用时间20 h， 序号6 实验为序号5实验做完后， 又进行了 10 h 的原子氧暴露，总的原子氧作用时间为30 h，作用在硅橡胶材料O形圈表面上总的原子氧等效累积累通量为 8.574 ×1020atoms/ cm2;序号4 实验用的O形圈在做完原子氧实验之后，立即进行了48 小时的紫外线辐射实验。

　　从表1 可以看出，IFM 设备中产生的氧等离子体对硅橡胶材料O 型圈有明显的剥蚀效果，硅橡胶材料O形圈经过原子氧作用后质量减小，原子氧作用时间越长其质量损失越大, 而且硅橡胶材料O形圈的质量越大，其质量变化量也越大。图1 为硅橡胶材料O 型圈质量损失率与原子氧作用时间的关系曲线：随着原子氧作用的时间增长，硅橡胶材料O形圈的质量损失率增大。

图 1O形圈质量损失率与原子氧作用时间关系曲线

　　4 电镜扫描分析

　　对经过原子氧作用的O形圈进行电镜扫描，采用北航材料科学与工程学院扫描电镜实验室的JSM -5800型扫描电子显微镜( SEM) ，加速电压为115kV~ 210 kV, 在此电压范围内既能比较清楚的观察到试样的表面形貌特征, 又不会对材料表面造成任何破坏。

　　图2 为硅橡胶材料O形圈在原子氧作用之前的电子镜扫描照片, 从照片可以看出,试样的表面光滑、 没有明显的表面损伤,即使在较高放大倍数下观察,试样的表面除了有少部分制造缺陷及操作时不小心造成的损伤外, 没有明显的伤痕。

图 2 硅橡胶材料 863 - 3 - 3新O 形圈表面状况电子扫描照片( 80× )

　　图3 为硅橡胶材料O形圈在原子氧作用 10 h、原子氧等效累积通量为3.274 ×1020

　　atoms/ cm2后的电子镜扫描照片, 与图 2 相比: 硅橡胶材料O型圈在小通量原子氧暴露后, 表面形貌特征变得略微粗糙,是原子氧对硅橡胶作用的结果。

图 3 原子氧作用10 h 之后的O 形圈表面状况电子扫描照片( 100× )

　　图4为硅橡胶材料O形圈在原子氧作用2 h、原子氧等效累积通量为5.3 ×1020atoms/ cm2后的电子镜扫描照片：表面少量的地方出现一些点状的凹坑,外貌形状较为粗糙。

图 4 原子氧作用 20 h 之后的O 形圈表面状况电子扫描照片( 80× )

　　图5为硅橡胶材料O形圈在原子氧作用30 h、原子氧等效累积通量为8.574 ×1020

图 5 原子氧作用 30 h 之后的 O 形圈表面状况电子扫描照片( 100× )

　　atoms/ cm2后的电子镜扫描照片:表面出现一点更加明显的点状凸坑,形貌更加粗糙, 并伴有不深的沟壑形状, 说明原子氧作用非常明显。

　　图6 为硅橡材料O形圈原子氧作用20 h、 原子氧等效累积通量为5.3 ×1020atoms/ cm2以及紫外线辐射48 h 后的电子镜扫描照片:表面不但有明显的粗糙形状,而且有较多的点状凸坑,说明紫外辐射和原子氧作用的综合作用对硅橡胶材料O形圈表面的影响更加显著。

　　图 6 原子氧与紫外线辐射之后的O 型圈表面状况电子扫描照片( 100×)

　　5 、结论

　　对硅橡胶材料O型圈的原子氧暴露实验研究：

　　(1)原子氧和紫外线辐射的综合作用对硅橡胶材料O形圈性能影响比原子氧单独作用更加明显。

　　(2) 作用到硅橡胶材料O形圈表面上的原子氧等效累积通量越大,硅橡胶材料O 型圈的质量损失率就越大。

　　(3)硅橡胶材料O 型圈在 IFM 地面模拟设备的实验出现剥蚀现象,表面形貌特征发生了明显的变化。

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