《空間材料原子氧、紫外輻照和熱循環(huán)綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)方法》

ICS19.040

CCSA21

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CSTMXXXXX—202X

空間材料原子氧、紫外輻照和熱循環(huán)綜合

環(huán)境模擬試驗(yàn)方法

Testmethodforspaceenvironmentsimulationofatomicoxygen,ultraviolet

irradiationandthermalcyclingofspacematerials

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施

中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

T/CSTMXXXXX—2024

空間材料原子氧、紫外輻照和熱循環(huán)綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)方法

重要提示（危險(xiǎn)或警告或注意）：使用本文件的人員應(yīng)有正規(guī)實(shí)驗(yàn)室工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文件并未

指出所有可能的安全問(wèn)題。使用者有責(zé)任采取適當(dāng)?shù)陌踩徒】荡胧?，并保證符合國(guó)家有關(guān)法規(guī)規(guī)定的

條件。

1范圍

本文件規(guī)定了空間材料原子氧、紫外輻照和熱循環(huán)綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)的方法。

本文件適用于空間材料的原子氧、紫外輻照和熱循環(huán)共同作用下，材料的剝蝕率、光學(xué)、熱學(xué)及力

學(xué)等性能變化的測(cè)試。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅

該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GJB2502.1航天器熱控涂層試驗(yàn)方法第1部分：總則

GJB2502.5航天器熱控涂層試驗(yàn)方法第5部分：真空-紫外輻照試驗(yàn)

GJB2502.8航天器熱控涂層試驗(yàn)方法第8部分：熱循環(huán)試驗(yàn)

GJB2502.9航天器熱控涂層試驗(yàn)方法第9部分：原子氧試驗(yàn)

3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1原子氧通量密度Atomicoxygenfluxdensity

單位時(shí)間內(nèi)入射到單位表面積上的原子氧數(shù)量。

3.2原子氧累積通量atomicoxygenfluence

入射到單位表面積上的原子氧總數(shù)量。

3.3紫外輻照度ultravioletirradiation

單位時(shí)間內(nèi)照射到單位表面積上的紫外光能量。

3.4紫外輻照劑量ultravioletirradiationdose

照射到單位表面積上的紫外光總能量。

3.5原子氧剝蝕率atomicoxygenerosionyield

綜合作用后每個(gè)原子氧撞擊到材料表面引起的體積變化。

3.6厚度損失thicknessloss

綜合作用后引起的材料厚度變化。

4原理

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將材料置于原子氧、紫外輻照和熱循環(huán)綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備中，進(jìn)行原子氧、紫外輻照和熱循環(huán)

綜合作用。通過(guò)觀察、測(cè)試、分析試驗(yàn)前后材料的外觀、微觀形貌、質(zhì)量、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及力學(xué)等

性能參數(shù)的變化，評(píng)價(jià)其抗空間原子氧、紫外輻照和熱循環(huán)綜合作用的能力。

5試驗(yàn)條件

5.1試驗(yàn)室環(huán)境條件

試驗(yàn)室環(huán)境為溫度10℃~30℃，相對(duì)濕度60％以下。

5.2試驗(yàn)試樣溫度

試驗(yàn)試樣溫度按技術(shù)文件的規(guī)定，在不進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，試樣溫度應(yīng)控制在10℃~40℃范圍內(nèi)。

5.3試驗(yàn)參數(shù)

5.3.1原子氧參數(shù)

原子氧能量、通量密度及累計(jì)通量按照技術(shù)文件規(guī)定執(zhí)行。

5.3.2紫外輻照參數(shù)

近紫外波段的紫外輻照加速因子一般不大于5，遠(yuǎn)紫外波段的紫外輻照加速因子一般不大于100，

近紫外輻照劑量和遠(yuǎn)紫外輻照劑量按技術(shù)文件的規(guī)定。

5.3.3熱循環(huán)參數(shù)

a)熱循環(huán)試驗(yàn)的溫度一般為-100℃~+100℃。具體最高溫度和最低溫度按有關(guān)技術(shù)文件規(guī)定；

b)熱循環(huán)次數(shù)一般為100次（由最高溫到最低溫再到最高溫為一次循環(huán)），具體循環(huán)次數(shù)按有關(guān)

技術(shù)文件的規(guī)定；

c)熱循環(huán)降溫速率、升溫速率及保溫時(shí)間按技術(shù)文件要求；保溫時(shí)間一般不低于10分鐘，保溫

過(guò)程中高溫區(qū)溫度變化不超過(guò)±2℃，低溫區(qū)溫度變化不超過(guò)±5℃。

5.3.4其他

原子氧累積通量、紫外輻照劑量與熱循環(huán)次數(shù)不能全程同時(shí)進(jìn)行時(shí)，應(yīng)將試驗(yàn)時(shí)間少的因素分段與

試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)的因素共同作用，或按技術(shù)要求規(guī)定執(zhí)行。

6儀器設(shè)備

6.1真空系統(tǒng)

6.1.1真空室應(yīng)采用無(wú)油抽氣系統(tǒng)。

6.1.2真空室本底真空度優(yōu)于1.3×10-3Pa。

6.1.3真空室內(nèi)安裝熱沉，熱沉溫度應(yīng)低于-60℃。

6.2原子氧系統(tǒng)

6.2.1原子氧束作用面積應(yīng)大于試驗(yàn)試樣面積。

6.2.2原子氧能量范圍為3.0eV~10.0eV。

6.2.3原子氧通量密度一般為1×1014atoms/（cm2·s）~1×1016atoms/（cm2·s），原子氧通量密度不均

勻度不超過(guò)±10%。

6.2.4原子氧束與試驗(yàn)材料表面法線方向的夾角不超過(guò)±10°。

6.2.5標(biāo)定原子氧通量密度的試樣一般采用KaptonH或HN進(jìn)行（其剝蝕率按3.00×10-24cm3/atom計(jì)

算），厚度一般為0.05mm，直徑不小于10mm的圓形或邊長(zhǎng)不小于10mm的方形件。

6.3紫外輻照系統(tǒng)

6.3.1紫外輻照面積應(yīng)大于試驗(yàn)試樣面積。

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6.3.2近紫外輻照光源波長(zhǎng)為200nm~400nm，輻照度為11.8mW/cm2~59.0mW/cm2，輻照度不均勻

性不超過(guò)±10%。

6.3.3遠(yuǎn)紫外輻照光源產(chǎn)生的紫外波長(zhǎng)為115nm~200nm，輻照度為0.001mW/cm2~0.1mW/cm2，輻

照度不均勻性不超過(guò)±15%。

6.4熱循環(huán)系統(tǒng)

6.4.1熱循環(huán)變溫臺(tái)配備溫度傳感器，測(cè)溫精度優(yōu)于1℃。

6.4.2熱循環(huán)裝置的變溫范圍滿足熱循環(huán)試驗(yàn)的需求，一般最低溫度低于-100℃，最高溫度高于100℃；

6.4.3熱循環(huán)溫度控制精度應(yīng)滿足：高溫區(qū)±3℃，低溫區(qū)±5℃。

6.5儀器

6.5.1電子天平：量程0g~40g、感量0.00001g。

6.5.2氣體流量計(jì)：量程0sccm~20sccm，控制精度0.1sccm。

6.5.3紫外光源：200nm~400nm紫外光源可采用超高壓汞燈、超高壓汞氙燈、超高壓氙燈等，需濾

除其中的可見(jiàn)光和紅外光；200nm以下的紫外光源可采用氫燈、氘燈或其它氣體放電燈。

6.5.4紫外輻照度計(jì)：測(cè)試精度優(yōu)于0.1mW/cm2，推薦使用UVR-1型便攜式輻照度計(jì)。

6.5.5氧氣瓶：高純氧，純度不低于99.9%，推薦使用40L容量的，壓力為25MPa。

7樣品

7.1試驗(yàn)試樣尺寸應(yīng)滿足性能測(cè)試要求，一般試樣為直徑20mm~40mm圓形片或邊長(zhǎng)20mm~40mm

方形片。

7.2每種試驗(yàn)試樣應(yīng)至少制備五個(gè)，通過(guò)外觀和性能測(cè)試選出三個(gè)或三個(gè)以上試驗(yàn)試樣參與試驗(yàn)，并分

別編號(hào)，具體按技術(shù)文件要求。有多個(gè)試驗(yàn)試樣時(shí)，應(yīng)記錄試驗(yàn)試樣安裝位置圖。

7.3試驗(yàn)試樣的其它要求按GJB2502.1中規(guī)定進(jìn)行，對(duì)于破壞性測(cè)試試樣設(shè)置參照試樣，參照試樣與被

檢試樣為同一批材料，并按8.2的要求制備；參照試樣測(cè)試的性能參數(shù)為試驗(yàn)前性能數(shù)據(jù)。

8試驗(yàn)步驟

8.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備

8.1.1檢查試驗(yàn)設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)。

8.1.2檢查試驗(yàn)設(shè)備是否清潔、無(wú)污染，必要時(shí)使用分析純酒精進(jìn)行清洗。

8.1.3用已知原子氧剝蝕速率的標(biāo)準(zhǔn)試樣KaptonH或HN（剝蝕率為3×10-24cm3/atom）標(biāo)定原子氧通

量密度。在標(biāo)定過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)微波源的輸出功率來(lái)改變?cè)友醯耐棵芏取?biāo)定完畢后，將試驗(yàn)條件

固化。通量密度數(shù)值由式（1）給出：

?m

Φ=c

··············································（1）

Ac×ηc×ρc×τc

式中：

Φ——原子氧通量密度（atoms/cm2?s）；

Δmc——標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)損（g）；

2

Ac——標(biāo)準(zhǔn)試樣的暴露面積（cm）；

2

ηc——標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的原子氧作用系數(shù)（cm/atom）；

33

ρc——標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的密度（g/cm，KaptonH密度：1.42g/cm）；

τc——標(biāo)準(zhǔn)試樣在原子氧中的暴露時(shí)間（s）。

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8.1.4用紫外輻照度計(jì)標(biāo)定紫外輻照度。

8.1.5按照8進(jìn)行試樣準(zhǔn)備。

8.1.6按照技術(shù)文件要求測(cè)試試驗(yàn)前試樣性能測(cè)試。

8.1.7將試驗(yàn)試樣及參照試樣放在干燥器皿中24h后，用天平稱量質(zhì)量并記錄，非金屬材料應(yīng)在壓力

低于2.0×10-1Pa的條件下保持48h后，用天平稱量質(zhì)量并記錄。

8.1.8將試驗(yàn)試樣裝入儀器，記錄各試樣名稱和試樣序號(hào)。

8.1.9將試驗(yàn)試樣固定在試樣臺(tái)上。

8.1.6記錄試驗(yàn)試樣在試樣臺(tái)上的位置，對(duì)試驗(yàn)試樣進(jìn)行拍照記錄。

8.2試驗(yàn)過(guò)程

8.2.1將試驗(yàn)試樣放置完成后，關(guān)閉真空室。

8.2.3啟動(dòng)真空機(jī)組，使真空室壓力優(yōu)于1.3×10-3Pa。

8.2.4打開(kāi)熱沉，開(kāi)始降溫。

8.2.5打開(kāi)氣體流量計(jì)，將純度為99.9%的氧氣送入真空室中，真空室壓力不高于1Pa。

8.2.6開(kāi)啟原子氧設(shè)備，通量密度按8.1.3標(biāo)定結(jié)果。

8.2.7開(kāi)啟紫外輻照設(shè)備，輻照度滿足6.3中的規(guī)定。

8.2.8開(kāi)啟熱循環(huán)部件，熱循環(huán)試驗(yàn)條件按6.4中的規(guī)定。

8.2.9進(jìn)行原子氧、紫外輻照和熱循環(huán)綜合作用，試驗(yàn)過(guò)程中保持試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)穩(wěn)定，并記錄開(kāi)始作用

的時(shí)間。

8.2.10每天監(jiān)測(cè)、記錄試驗(yàn)下列設(shè)備參數(shù)，并及時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)強(qiáng)度，使之滿足試驗(yàn)要求：

a)熱沉溫度和真空室真空度等參數(shù)；

b)原子氧：靶電壓強(qiáng)度、原子氧通量；

c)紫外輻照：光源輻射照度、紫外輻照劑量；

d)熱循環(huán)：最高溫度、最低溫度、熱循環(huán)次數(shù)。

8.2.11試驗(yàn)過(guò)程中試樣的性能測(cè)試按技術(shù)文件要求。

8.2.12當(dāng)原子氧累積通量、紫外輻照總劑量和熱循環(huán)次數(shù)達(dá)到要求后，關(guān)閉原子氧、紫外輻照和熱循

環(huán)的電源，并記錄停止綜合輻照試驗(yàn)的時(shí)間。

8.2.13待熱沉及熱循環(huán)設(shè)備回溫到室溫后，停機(jī)復(fù)壓，將試驗(yàn)試樣從真空室中取出。

8.3試驗(yàn)后試樣的檢查與測(cè)試

8.3.1目視檢查試驗(yàn)試樣有無(wú)龜裂、剝落，起泡和變色等現(xiàn)象。

8.3.2試驗(yàn)后試樣的測(cè)試按技術(shù)文件要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。

8.4試驗(yàn)中斷及處理

8.4.1原子氧系統(tǒng)故障

真空環(huán)境不破壞時(shí)，應(yīng)先將設(shè)備恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，按原試驗(yàn)參數(shù)繼續(xù)試驗(yàn)，直至達(dá)到要求。

8.4.2紫外輻照系統(tǒng)故障

真空環(huán)境不破壞時(shí)，應(yīng)先將設(shè)備恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，按原試驗(yàn)參數(shù)繼續(xù)試驗(yàn)，直至達(dá)到要求。

8.4.3熱循環(huán)系統(tǒng)

真空環(huán)境不破壞時(shí)，應(yīng)先將設(shè)備恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，按原試驗(yàn)參數(shù)繼續(xù)試驗(yàn)，直至達(dá)到要求。

8.4.4真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)出現(xiàn)故障或其它意外導(dǎo)致試驗(yàn)停止，輻照室真空度在10Pa內(nèi)，可在恢復(fù)真空度后繼續(xù)試

驗(yàn)，直至達(dá)到要求。若輻照室真空度超過(guò)10Pa，應(yīng)更換試驗(yàn)試樣，重新開(kāi)始試驗(yàn)。

9試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

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9.1原子氧通量計(jì)算

試驗(yàn)試樣承受的原子氧通量按公式（2）計(jì)算。

=Φ×

Φt······························································(2)

式中：F——試驗(yàn)試樣承受的原子氧通量（atoms/cm2）；

t——試驗(yàn)試樣在原子氧中的暴露時(shí)間（s）。

9.2原子氧剝蝕率計(jì)算

按公式（3）計(jì)算試驗(yàn)材料的剝蝕率。

?m/ρ

?R=

eΦ×t×A······························································(3)

式中：

3

Re——試驗(yàn)試樣的剝蝕率（cm/atom）；

Δm——原子氧與紫外作用下，試驗(yàn)試樣損失的質(zhì)量（g）；

ρ——試驗(yàn)試樣的密度（g/cm3）；

Φ——原子氧通量密度（atoms/cm2?s）；

t——試驗(yàn)試樣在原子氧中的暴露時(shí)間（s）；

A——驗(yàn)試樣的暴露面積（cm2）；

9.3厚度損失計(jì)算

按公式（4）計(jì)算試驗(yàn)材料的剝蝕率。

?=×?

XFRe······························································(4)

式中：

ΔX——試驗(yàn)試樣的厚度損失數(shù)值（cm）；

3

ΔRe——試驗(yàn)試樣的剝蝕率（cm/atom）；

F——試驗(yàn)試樣承受的原子氧通量（atoms/cm2）；

9.4其它數(shù)據(jù)

比對(duì)試驗(yàn)前后試驗(yàn)太陽(yáng)吸收比、光譜反射率、發(fā)射率等性能數(shù)據(jù)值，計(jì)算數(shù)據(jù)變化百分?jǐn)?shù)，或根據(jù)

試驗(yàn)任務(wù)書(shū)或有關(guān)技術(shù)文件的規(guī)定繪制變化曲線。

10試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括以下內(nèi)容：

――試驗(yàn)名稱、試驗(yàn)日期、試樣描述等相關(guān)信息；

――試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)與檢測(cè)方法；

――試驗(yàn)條件與要求；

――試驗(yàn)設(shè)備、性能測(cè)試儀器介