抗AO防护策略主要有哪些？ What are the main anti-AO protection strategies? 设计思路 目前，抗AO侵蚀材料的设计思路大致可以分为三类：本征掺杂、复合掺杂和涂层防护。 本征掺杂是指在聚合物分子结构中引入Si、P、F等具有抗氧化能力的元素，增强键能或者使材料本身在AO作用下形成稳定钝化层，从而提升材料的本体耐蚀性。 复合掺杂则是在聚合物基体中加入无机纳米粒子、POSS、SiO₂、Al₂O₃、石墨烯等功能填料，通过填料阻隔、表面钝化和界面增强等作用，提高材料整体抗AO侵蚀能力。 相比之下，涂层防护策略目前应用最广、研究也最成熟。它是在材料表面沉积或构筑一层抗AO侵蚀薄膜，让这层薄膜直接承受AO轰击，从而保护下方基体材料。 简单来说，本征掺杂是“让材料自己更抗蚀”，复合掺杂是“在材料里面加防护组分”，而涂层防护则是“给材料外面穿一层保护衣”。 判断标准 判断一层抗AO侵蚀薄膜好不好，最常用的两个指标是面质量损失（Δm/A）和剥蚀率（Ey）。前者看的是单位面积材料在AO暴露后少了多少质量，越小说明材料被“啃掉”的越少；后者则表示单个AO造成的材料体积损失，越低代表材料越耐侵蚀。 式中：Ey为剥蚀率，cm3/atom； Δm为辐照前后质量损失，mg；A为辐照面积，cm2； p为样品密度，mg/cm3；F为AO通量，atoms/cm2 除此之外，还要结合表面是否开裂、粗糙度是否增加、光学透过率和力学性能是否保持等指标综合判断。真正适用于航天器的抗AO侵蚀薄膜，不仅要能挡住AO，还要在弯折、热循环和长期服役中保持稳定。 为什么涂层防护应用最多？ Why are protective coatings used the most? 涂层防护最大的优势，是它可以在不明显改变基体材料性能的前提下，快速提升表面抗AO侵蚀能力。 对于聚酰亚胺薄膜这类航天常用材料来说，它本身具有优异的柔韧性、耐热性和绝缘性能。如果直接改变其分子结构或大量加入填料，可能会影响加工性、透明性、柔韧性或力学性能。而涂层策略只需要在表面构筑一层薄薄的保护层，就能让材料在保持原有优势的同时获得更好的抗AO侵蚀能力。 因此，在实际航天应用和工程验证中，涂层防护一直是非常重要的路线。 无机致密涂层：经典的硬盾牌 无机致密涂层是最早也是最常见的涂层防护方式，是在聚合物表面沉积一层无机薄膜，例如SiO₂、Al₂O₃、SiOx、金属氧化物涂层等。 ACS Applied Materials & Interfaces, 2015. 7(6): p. 3539-3546. 这些材料本身具有较好的抗氧化能力，并且在AO作用下可以形成稳定氧化物屏障，阻止AO继续向下侵蚀。常见制备方法包括磁控溅射、蒸镀、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积等。 不过，无机致密涂层也有明显问题：它们通常比较脆。当航天器经历弯折、热循环、振动或微小冲击时，涂层表面可能产生针孔、裂纹或脱落。一旦出现缺陷，AO就会沿着缺陷进入涂层下方，继续侵蚀基体，形成所谓的“底切侵蚀”。 因此，无机涂层虽然防护效果好，但如何提高柔韧性、附着力和缺陷容忍度，是它继续发展的关键。 有机-无机杂化涂层： 兼顾柔性与防护 为了弥补无机涂层“硬而脆”的缺点，研究者发展了有机-无机杂化涂层。这类涂层通常在有机聚合物网络中引入硅氧结构、POSS、硅倍半氧烷等无机组分。它既保留了一定柔韧性，又能在AO作用下形成类似 SiO₂ 的钝化层，阻止AO继续侵蚀。 Advanced Materials, 2018. 30(36): p. 1803854 这种设计很像“软甲”：外层可以形成抗氧化屏障，内部又不会像纯无机涂层那样容易开裂。对于柔性薄膜、可展开结构和柔性太阳翼来说，有机—无机杂化涂层具有很好的应用潜力。 多孔与梯度结构涂层： 让保护层更耐弯折 传统观点认为，抗AO侵蚀涂层应该越致密越好。但近年来的研究发现，对于柔性基底来说，涂层并不是单纯“越硬越密越好”。如果涂层太致密、太脆，在弯折或热循环过程中容易开裂。 于是，多孔结构、梯度结构和界面增强结构开始受到关注。例如，多孔二氧化硅涂层可以在一定程度上释放应力，提高涂层与基体之间的结合稳定性；梯度结构涂层则可以缓解无机层和聚合物基体之间的力学性能差异，减少界面剥离。 Surface and Coatings Technology, 2022. 447: p. 128840. 这类设计说明，抗AO侵蚀薄膜已经不只是简单地“挡住AO”，还要考虑柔性、附着力、热稳定性和长期服役可靠性。 自修复涂层： 从被动防护走向主动修复 在真实空间环境中，涂层不可能永远完美无缺。制备过程中的针孔、服役过程中的划伤、微裂纹和热应力损伤，都可能成为AO侵入的通道。因此，自修复抗AO侵蚀涂层成为近年来的一个重要方向。 这类涂层通常利用动态化学键、氢键、超分子作用或柔性聚合物链段，使涂层在受到轻微损伤后能够重新愈合。同时，涂层中的含硅组分还能在AO作用下形成稳定的SiO₂钝化层，实现“修复裂纹”和“恢复防护”的双重作用。 对于长期在轨运行的航天器来说，自修复涂层的意义在于：它不仅要求材料初始防护性能好，还希望材料在受损后仍能继续服役。 未来发展趋势 总结 Summary AO是低地球轨道中看不见的“隐形腐蚀者”。它不会瞬间摧毁航天器，却会在长期服役过程中持续侵蚀材料表面，影响航天器的寿命和可靠性。 从本征掺杂、复合掺杂到涂层防护，抗AO侵蚀材料的设计思路不断丰富。其中，涂层防护因工艺成熟、防护效果明显、适用范围广，仍然是目前应用最多的策略。 未来，抗AO侵蚀薄膜将不只是简单的“保护层”，而会逐渐发展成兼具防护、柔性、自修复和多环境耐受能力的功能系统。对于航天器来说，这层看似不起眼的薄膜，可能正是它在轨稳定运行多年的关键保障。 兰州大学软物质与先进功能材料研究所所长、甘肃省炭素新材料行业技术中心主任拜永孝教授课题组系统开展了有关抗AO侵蚀薄膜的基础理论、技术开发和工程应用研究方面的研究并取得了系列研究成果。
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