СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАССЕИВАЮЩЕГО ЗАРЯД ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
METHOD FOR MANUFACTURING CHARGE DISSIPATIVE SURFACE LAYER

Изобретение относится к способу изготовления рассеивающего заряд поверхностного слоя на элементе, изготовленном или состоящем из диэлектрического материала на основе полимера, который предназначен для использования в космическом пространстве, и к такому элементу.
В частности, настоящее изобретение относится к области поверхностной обработки диэлектрических материалов на основе полимера с фасонными и/или рифлеными полимерными поверхностями, обработки поверхностей с включенными в них неорганическими частицами или обработки диэлектрических полимерных композитных материалов с наполнителями в форме неорганических частиц или волокон. Свойства поверхностного рассеивания заряда необходимы для устройств на основе полимеров, таких как наружные компоненты космических кораблей или солнечных батарей, например - кабелей с плоскими проводниками (FCC; от англ.: Flat Cable Conductors), с длительной устойчивостью такого рассеивания заряда и других функциональных свойств в околоземном пространстве, или материалов и устройств на основе полимерных композитных материалов с длительной устойчивостью такого рассеивания заряда в околоземном пространстве и в других экстремальных условиях.
Бомбардировку полимерных материалов ионами широко используют в промышленности по производству электронных и других устройств, чаще всего для удаления фоторезистов в микроэлектронике, ионной имплантации полимеров для получения оптических волноводов, плазменной обработки поверхностей для повышения адгезии металлов, осаждаемых на полимеры, и улучшения пригодности поверхностей для печати, повышения микротвердости полимеров и т.п. Во многих случаях средне- или высокоинтенсивная бомбардировка ионами диэлектрического полимера вызывает поверхностное сшивание или деструкцию цепей из-за переноса энергии при столкновениях с атомами, а также поверхностную карбонизацию. Обнаружено, что изменение многих поверхностных свойств связано с преобразованиями состава, структуры и, довольно часто, морфологии поверхности вследствие бомбардировки ионами и избирательного распыления поверхностей полимеров в вакууме. Некоторое уменьшение поверхности из-за ионно-лучевого распыления, миграцию атомов газа с образованием летучих конечных продуктов и их выделением с поверхности полимеров в вакуум, то есть высвобождение с поверхности конечных газообразных продуктов, и, наконец, повышение поверхностного содержания углерода (в бомбардируемой области), а также одновременную и последующую структурную реконструкцию поверхности называют «поверхностной карбонизацией». Посредством ионно-лучевой обработки полимеров [1, 5] может быть обеспечено значительное изменение механических и оптических или электрических свойств, таких как твердость поверхности, износостойкость, устойчивость к окислению и поверхностная электропроводность, в широком диапазоне значений и в широком диапазоне температур.
Важно отметить, что все исследования поверхностной электропроводности или поверхностного рассеивания заряда диэлектрическими материалами на основе полимера после обработки ионными пучками были выполнены на плоских или, так сказать, пленарных полимерных пленках, синтезированных специально для экспериментов с обработкой или изготовленных промышленным образом.
Не только высокотехнологичные пленки из пространственных полимеров в различных прикладных задачах, связанных с космосом, но и изделия на основе полимерных материалов, такие как кабели с плоскими проводниками (FCC), используемые в качестве соединений между панелями в солнечных батареях на геостационарных (GEO; от англ.: geosynchronous) орбитах, могут получить большие преимущества за счет обеспечения рассеивания заряда на их наружных поверхностях для предотвращения накопления заряда, образования дугового разряда и связанного с этим повреждения в условиях повышенной радиации, в частности - при использовании в современных длительных космических программах. Однако производство изделий со свойствами поверхностного рассеивания заряда для таких прикладных задач может представлять трудности.
FCC различных размеров и форм изготавливают, например, на основе материала DuPont Pyralux LF1010, который по существу состоит из фольгированного медью многослойного материала Pyralux LF 1010 и такого же типа покровного слоя, то есть из пленок Kapton 100HN (1 мил), соединенных друг с другом с помощью специального термочувствительного акрилового адгезива с тонкими медными лентами, впрессованными между ними во время технологических стадий, причем ленты из медной фольги заканчиваются в электрических контактах за пределами изготовленных структур [6]. Поэтому в FCC 100 (Фиг. 1 и Фиг. 2) диэлектрические полимерные пленки, расположенные на лицевой и обратной стороне, не имеют плоской ровной поверхности, а скорее имеют поверхности с повторяющимся профилем или, так сказать, «рифленые» поверхности 102, 202, как можно видеть на Фиг. 1 для лицевой поверхности 101 и на Фиг. 2 для обратной поверхности 201. Поскольку обработка ионным пучком имеет линейную природу с довольно сильной угловой зависимостью скорости распыления, этот рельеф поверхности может влиять на равномерность и эффективность обработки ионным пучком, вызывая затенение ионного пучка стенками образующихся бороздок.
3
4
2
Другим критическим различием при обработке реальных FCC-структур является состояние обратной поверхности. Обнаружено, что, по сравнению с блестящей и гладкой лицевой поверхностью FCC, обратные поверхности являются шероховатыми и содержат мелкие неорганические частицы, случайным образом распределенные по поверхности, что является результатом специфического технологического процесса производства FCC. Поверхности FCC-элементов широко исследовали с использованием способов сканирующей электронной микроскопии/энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (SEM/EDS; от англ.: Scanning Electron Microscopy / Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy). Лицевую (Фиг. 3а и Фиг. 3d) и обратную (Фиг. 4а) поверхности SEM-изображений 300, 400 с различными уровнями увеличения, в сочетании с исследованиями элементного состава посредством EDS, использовали для сравнительного исследования морфологии лицевой и обратной поверхностей FCC из небольшого числа изготовленных серий FCC. Часть лицевой поверхности FCC на вершинах медных лент имеет блестящую плоскую поверхность (см. Фиг. 1). Плоские части лицевых поверхностей FCC были очень сходными с поверхностью Kapton HN, по результатам анализов посредством SEM и EDS. Мелкие включенные частицы, которые удалось обнаружить только при большом увеличении, являются частицами фосфата кальция (Са(РO)). Они являются важной добавкой в процессе изготовления пленок Kapton HN для снижения проблем с их переработкой, связанных с электростатическим взаимодействием.
Высокоразвитая морфология поверхности становится отчетливо видной при обследовании обратной поверхности, как показано на Фиг. 4а, которая изображает поверхность «обратной стороны» при большом увеличении. Обратная поверхность выглядит сильно поврежденной, и на Фиг. 4а можно отчетливо видеть, что в поверхности полимера присутствует значительное число мелких частиц, преимущественно субмикронного размера. Элементный состав этих частиц можно оценить посредством EDS. Точный элементный состав этих частиц в целом соответствует составу частиц пемзы, тонкий порошок которой используют в процессе производства в форме дисперсии в воде под высоким давлением для повышения адгезии меди к специальному акриловому адгезиву, используемому при изготовлении FCC.
(Пемза состоит из следующих оксидов в случае индийских гранитов [8]: от 70 процентов до 77 процентов диоксида кремния, от 11 процентов до 14 процентов оксида алюминия, от 3 процентов до 5 процентов оксида калия, от 3 процентов до 5 процентов оксида натрия, от 1 процента до 3 процентов закиси железа, от 1 процента до 2 процентов окиси железа, от 0,5 процента до 1 процента оксида магния, менее 0,38 процента оксидов титана, и почти все эти элементы были обнаружены на обратной поверхности посредством EDS).
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить способ изготовления рассеивающих заряд поверхностных слоев на элементе, изготовленном или состоящем из диэлектрического материала на основе полимера, чтобы элемент соответствовал требованиям для использования в околоземном пространстве. Другой задачей настоящего изобретения является изготовление соответствующего элемента.
Эти задачи решены за счет независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечен способ изготовления рассеивающего заряд поверхностного слоя на элементе, изготовленном или состоящем из диэлектрического материала на основе полимера или композитного материала, который предназначен для использования в космосе или других экстремальных условиях. Элемент может быть любым изделием, например - FCC, компонентом солнечной батареи или элементом в виде пленки. Элемент имеет по меньшей мере одну поверхность, в частности - две противоположные поверхности, причем каждая из поверхностей имеет плоскую или трехмерную форму. По меньшей мере одна поверхность может включать профилированные или рифленые поверхности и шероховатые поверхности с включенными в поверхность неорганическими диэлектрическими частицами или поверхности диэлектрических композитных материалов на основе полимеров с неорганическими диэлектрическими наполнителями. Трехмерная форма может быть профилированной или рифленой поверхностью.
Способ включает стадии регулируемой карбонизации по меньшей мере одной поверхности элемента в условиях вакуума за счет бомбардировки ионами при одновременном динамическом обновлении поверхности посредством бомбардировки по меньшей мере одной поверхности ионным пучком, образующимся в газовом линейном сильноточном технологическом источнике ионного пучка инертного газа и добавленного в газовую смесь для получения этого ионного пучка предварительно заданного количества углеродсодержащего газа для получения обработанного карбонизованного поверхностного слоя с однородным удельным поверхностным сопротивлением в диапазоне рассеивания заряда.
Регулируемая карбонизация и одновременное, т.е. постоянное, обновление поверхности (или поверхностей) обеспечивает получение рассеивающих заряд поверхностей элемента (то есть материала или изделия), которые являются долговечными и способными сохранять эти свойства в течение по меньшей мере одного года в лабораторных условиях, что определяет гарантированный срок годности, равный по меньшей мере одному году после обработки.
Кроме того, регулируемая карбонизация и обновление поверхности полимерных или композитных материалов обеспечивают получение свойств рассеивания заряда без изменения механических и объемных свойств.
Согласно следующему варианту осуществления способа, ионный пучок может иметь энергию, лежащую в диапазоне от 2,5 кэВ до 3 кэВ.
Согласно следующему варианту осуществления способа, поверхностный слой может обладать свойствами рассеивания заряда порядка десятков МОм/кв. (МОм на квадрат, MOhms/sq) при комнатной температуре.
Согласно следующему варианту осуществления способа, в качестве углеродсодержащего газа можно использовать ацетилен.
Согласно следующему варианту осуществления способа, дегазацию полимерного материала элемента можно осуществить в условиях вакуума с последующим нагревом до температуры, лежащей в диапазоне от 50°С до 75°С, в частности - 65°С, во время бомбардировки ионами по меньшей мере одной поверхности для сокращения времени обработки и повышения качества карбонизации.
Согласно следующему варианту осуществления способа, одновременное осуществление регулируемой карбонизации и обновления по меньшей мере одной поверхности полимерных или композитных материалов элемента позволяет обеспечить свойства рассеивания заряда за счет использования только инертных газов и элементов, уже содержащихся в полимерной поверхности. Преимуществом является то, что нет необходимости в металлах или металлических примесях.
Согласно следующему варианту осуществления способа, способ применяют к элементам, изготовленным из медных полос, ламинированных между самоклеящимися пленками на основе полиимидов, например - Pyralux Coverlay LF0110, которая предназначена для использования в прикладных задачах, связанных с электричеством и электроникой, например - в качестве гибких печатных плат или кабелей с плоскими проводниками, для получения рассеивающих заряд поверхностей с сохранением механических и электрических объемных свойств этих стандартных изделий.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, обеспечен элемент, изготовленный или состоящий из диэлектрического материала на основе полимера, который предназначен для использования в космическом пространстве или других экстремальных условиях. Элемент содержит по меньшей мере одну поверхность, в частности - две противоположные поверхности, причем каждая из поверхностей имеет плоскую или трехмерную форму, и рассеивающий заряд карбонизованный поверхностный слой на по меньшей мере одной поверхности с однородным удельным поверхностным сопротивлением.
Преимуществом является то, что регулируемая карбонизация и обновление поверхностей в соответствии со способом, описанным выше, обеспечивает элемент, имеющий рассеивающие заряд поверхности, которые обладают длительным сроком службы и способны сохранять свойства рассеивания заряда в течение по меньшей мере 15 лет в околоземном пространстве, что требуется для современных длительных программ, выполняемых в околоземном пространстве.
Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, диэлектрический материал на основе полимера, имеющий обработанный карбонизованный поверхностный слой (или слои), является долговечным при циклическом изменении температуры и сохраняет поверхностные свойства рассеивания заряда в космическом диапазоне температур, равном по меньшей мере +/-150°С (то есть, в диапазоне температур от -150° Цельсия до +150° Цельсия).
Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, карбонизованная поверхность полимерного или композитного материала является рассеивающей заряд поверхностью материала с несколько темным внешним видом по сравнению с необработанными элементами в соответствии с предшествующим уровнем техники, не имеющими карбонизованной поверхности, однако без каких-либо изменений морфологии поверхности.
Согласно следующему варианту осуществления настоящего изобретения, карбонизованная поверхность полимерного или композитного материала является рассеивающей заряд поверхностью материала без каких-либо изменений теплоизлучательной способности и с некоторыми изменениями коэффициента поглощения солнечного излучения, которые, однако, не вызывают значимых отличий конечных термооптических свойств по сравнению с необработанной поверхностью согласно результатам испытания обеих поверхностей в наземной установке для моделирования условий околоземного пространства в течение по меньшей мере 15 эквивалентных лет экспозиции в околоземном пространстве.
Изобретение основано на идее, состоящей в том, что необходимо не только сделать обе (или все) поверхности элемента, например - FCC, рассеивающими заряд, но и обеспечить, чтобы использованная обработка (или обработки) поверхности не модифицировала каким-либо образом электрические свойства функциональных элементов, таких как медные проводники, и не изменяла толщину полимерной пленки и другие функциональные свойства. Для того чтобы избежать образования токов утечки между краями проводников из медной фольги и полимерной матрицей FCC, все свободные концы медной ленты FCC необходимо замаскировать во время обработки ионным пучком при использовании настоящего изобретения.
Проблемы с образованием электростатического заряда можно решить и даже устранить в первую очередь по настоящему изобретению, если использовать для обработки поверхности диэлектрические полимерные композитные материалы с наполнителями в форме неорганических частиц или волокон или изготовленные из них различные изделия. В случае таких композитных материалов наполнители в форме диэлектрических частиц не только находятся на поверхности или включены в нее, но по существу равномерно распределены в объеме материалов.
Другими словами, изобретение обеспечивает одностороннюю или двустороннюю диэлектрическую поверхность материала на основе полимера, пленки или изделия со свойством рассеивания заряда без изменения других функциональных свойств посредством обработки ионным пучком с динамическим обновлением поверхности во время формирования карбонизированной поверхности полимерных материалов, пленок или изделий с профилированными/рифлеными полимерными поверхностями, шероховатой поверхности с включенными в нее неорганическими частицами или поверхностей диэлектрических полимерных композитных материалов с наполнителями в форме неорганических частиц или волокон, и более конкретно - способ изготовления односторонних или двусторонних рассеивающих заряд поверхностей со специфической для каждого изделия поверхностной электропроводностью, выбранной в диапазоне необходимых значений, которые являются рассеивающими заряд в широком диапазоне температур, таких как поверхности со свойствами, необходимыми для кабелей с плоскими проводниками (FCC) на основе полимеров или наружных компонентов космических кораблей на основе диэлектрических полимерных композитных материалов с длительной устойчивостью этих и других функциональных свойств во время продолжительных программ, выполняемых в околоземном пространстве, и во время работы в других экстремальных условиях.
Изобретение обладает множеством преимуществ:
Преимуществом настоящего изобретения является то, что способ разработан для обеспечения рассеивания заряда на профилированных/рифленых или шероховатых диэлектрических поверхностях материалов на основе полимера или изделий на основе полимерных материалов, включая поверхности с включенными неорганическими частицами или поверхности диэлектрических полимерных композитных материалов с наполнителями в форме неорганических частиц или волокон, причем обеспеченное поверхностное рассеивание заряда является устойчивым в широком диапазоне температур, например - по меньшей мере в (относящемся к космическому пространству) диапазоне, равном +/-150°С, при многократном циклическом изменении температуры, и длительно (порядка 15 лет) устойчивым при воздействии радиации в околоземном пространстве и в других экстремальных условиях. Эти преимущества обеспечиваются за счет обработки поверхности ионным пучком, которая сочетает одновременную бомбардировку поверхности ионным пучком инертного газа из технологического линейного газового источника ионного пучка и регулируемого динамического обновления поверхности из того же источника за счет добавления необходимого количества углеродсодержащего газа в газовую смесь источника ионов. Это осуществляют для компенсации избирательного распыления органических веществ и предотвращения затеняющего эффекта краев и стенок бороздок и эффектов усиливающегося выступания включенных неорганических частиц во время бомбардировки ионами, которое сильно затеняет обработку полимера ионным пучком, затрудняет проведение карбонизации поверхности и поэтому ухудшает свойства рассеивания заряда тонкого наружного слоя на поверхности. Обработку поверхности производят в вакууме ионным пучком инертного газа, предпочтительно - Ar, с добавлением выбранного количества углеродсодержащего газа, в частности - ацетилена, в газовую смесь источника ионного пучка при специально определенных условиях обработки.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что способ обеспечивает выбранное удельное поверхностное сопротивление в диапазоне рассеивания заряда на одной или обеих поверхностях материала на основе полимера, пленки или изделия и не изменяет размеров обработанной мишени.
Следующим важным преимуществом настоящего изобретения является то, что способ превращения вышеуказанных полимерных профилированных или ребристых и загрязненных и поврежденных поверхностей или поверхностей полимерных композитных материалов в поверхности, рассеивающие заряд, обеспечивает особо желательное удельное поверхностное сопротивление, лежащее в диапазоне рассеивания заряда, равном десяткам МОм/кв. при комнатной температуре.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что способ изготовления рассеивающих заряд односторонних или двусторонних полимерных изделий или композитных материалов позволяет оставаться по существу неизменными другим функциональным свойствам материала/изделия, например - другим функциональным свойствам обработанных с двух сторон FCC.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что у одностороннего или двустороннего материала или изделия, например - FCC, обработанного по настоящему изобретению, удельное поверхностное сопротивление остается в диапазоне рассеивания заряда в широком интервале температур, в частности - в связанном с космосом диапазоне температур, равном +/-150°С, и показано, что оно остается устойчивым и сохраняется в имитированных условиях околоземного пространства в течение эквивалентного времени для экспозиции в околоземном пространстве, равного по меньшей мере 15 годам, так что обработанные FCC и другие изделия, обработанные по настоящему изобретению, можно успешно использовать при выполнении современных длительных программ в околоземном пространстве с продолжительностью, равной по меньшей мере 15 годам.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что в случае одностороннего или двустороннего материала или изделия, например - FCC, обработанного по настоящему изобретению, температуру образца можно поддерживать при температурах, которые значительно ниже 100°С.
Контролируемая карбонизация поверхности полимерного или композитного материала, описанная выше, позволяет получить рассеивающую заряд поверхность материала с немного более темным внешним видом, но без каких-либо изменений морфологии поверхности и теплоизлучательной способности и с некоторым изменением поглощения солнечного света, которое однако не вызывает значимых отличий конечных термооптических характеристик обработанных FCC по сравнению с необработанными, согласно результатам испытаний в наземной установке для моделирования условий околоземного пространства в течение по меньшей мере 15 эквивалентных лет экспозиции в околоземном космическом пространстве.
Еще одним преимуществом настоящего изобретения является то, что глубина рассеивающего заряд слоя регулируется за счет энергии ионов инертного газа и остается в диапазоне десятков нанометров без изменения объемных свойств обработанного изделия. Полученный слой является стабильным при циклическом изменении температуры и сохраняет свойства рассеивания заряда по меньшей мере в диапазоне температур от -150°С до +150°С в атмосфере инертного газа или в вакууме.
Наиболее успешный подход к обработке и условия, обнаруженные в настоящем изобретении, использовали для обработки обеих сторон репрезентативного количества коротких и длинных FCC, равного 50, и все результаты испытания позволили оценить разработанную обработку поверхности как абсолютно воспроизводимую и стабильную, продемонстрировав, кроме того, стабильность удельного поверхностного сопротивления в течение по меньшей мере одного года в стандартных лабораторных условиях, что означает гарантированный срок службы, равный по меньшей мере 1 году.
Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из последующего описания со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых сходные ссылочные номера, использованные в различных графических материалах, обозначают сходные компоненты, где:
Фиг. 1 - оптические изображения лицевых поверхностей случайным образом выбранных кабелей с плоскими проводниками (FCC).
Фиг. 2 - оптические изображения обратных поверхностей случайным образом выбранных коротких и длинных FCC.
Фиг. 3а, 3d - результаты анализа посредством плоскостной сканирующей электронной микроскопии (SEM) лицевой стороны FCC непосредственно после поставки в виде увеличенных SEM-изображений, полученных с использованием вторичных электронов, которые демонстрируют морфологию поверхности на лицевой стороне образца при различных увеличениях.
Фиг. 4а - результаты анализа посредством плоскостной сканирующей электронной микроскопии образца FCC непосредственно после поставки в виде увеличенных SEM-изображений, полученных с использованием вторичных электронов, которые демонстрируют морфологию поверхности на обратной стороне образца.
Фиг. 5а, 5b - анализ посредством плоскостной сканирующей электронной микроскопии лицевой стороны образца FCC после обработки ионным пучком в виде увеличенных SEM-изображений, полученных с использованием вторичных электронов, которые демонстрируют морфологию поверхности при двух уровнях увеличения.
Фиг. 6а, 6b - анализ посредством плоскостной сканирующей электронной микроскопии обратной стороны образца FCC после обработки ионным пучком в виде увеличенных SEM-изображений, полученных с использованием вторичных электронов, которые демонстрируют морфологию поверхности при двух уровнях увеличения.
Фиг. 7 - обзорный скан, полученный посредством рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS; от англ.: X-ray Photoelectron Spectroscopy), необработанной пленки Kapton 100HN.
2
2
Фиг. 8 - обзорный XPS-скан обработанной ионным пучком (Аr+СН) пленки Kapton 100HN на лицевой поверхности FCC (Пятно 1).
2
2
Фиг. 9 - обзорный XPS-скан обработанной ионным пучком (Аr+СН) пленки Kapton 100HN на лицевой поверхности FCC (Пятно 2).
Фиг. 9а - первая таблица, иллюстрирующая элементный состав необработанной поверхности пленки Kapton 100HN из обзорного XPS-скана, показанного на Фиг. 7.
2
2
Фиг. 9b - вторая таблица, иллюстрирующая элементный состав двух лицевых поверхностей FCC, обработанных ионным пучком (Аr+СН), из обзорного XPS-скана (Фиг. 8 и Фиг. 9).
2
2
Фиг. 9с - третья таблица, иллюстрирующая элементный состав при высокоразрешающем количественном определении Cls-состояния углерода в случае обработки поверхности FCC ионным пучком (Аr+СН).
Фиг. 10 - значения момента сопротивления стандартных и рассеивающих заряд FCC, обе стороны которых обработаны способом по настоящему изобретению.
Фиг. 10а - четвертая таблица, иллюстрирующая сравнение результатов измерения способами А и В удельного поверхностного сопротивления лицевой и обратной поверхностей FCC, обработанных ионным пучком.
Фиг. 10b - пятая таблица, иллюстрирующая обзор значений удельного поверхностного сопротивления 50 FCC, обе стороны которых обработаны ионным пучком, полученных способом В.
Фиг. 10с - шестая таблица, иллюстрирующая значения удельного поверхностного сопротивления до и после испытания на влагостойкость (60°С, относительная влажность воздуха 90-98%), измеренные способом А.
Фиг. 11 - значения удельного поверхностного сопротивления во время длительного хранения в условиях «чистой комнаты» в сложенном состоянии, измеренные способом А.
Фиг. 11а - седьмая таблица, иллюстрирующая значения удельного поверхностного сопротивления FCC до и после циклического изменения температуры, полученные способом А.
Фиг. 12 - значения удельного поверхностного сопротивления FCC во время циклического изменения температуры в сухом азоте.
Фиг. 13 - избранные образцы FCC (первая серия) в изготовленном по специальному заказу держателе образцов, причем серия была сфотографирована после испытания в условиях, имитирующих условия в околоземном пространстве, эквивалентных примерно 4 годам экспозиции в условиях околоземного пространства, и затем была извлечена для проведения дальнейших испытаний.
Фиг. 14 - образцы FCC (первая серия) в изготовленном по специальному заказу держателе образцов после завершения испытания в условиях, имитирующих условия в околоземном пространстве, эквивалентных 15 годам экспозиции в условиях околоземного пространства.
Фиг. 14а - восьмая таблица, иллюстрирующая значения удельного поверхностного сопротивления FCC, обработанных ионным пучков, до и после испытаний в условиях, имитирующих 4 года и 15 лет экспозиции в условиях околоземного пространства.
Фиг. 15 - все образцы FCC, у которых были измерены термооптические характеристики.
Фиг. 16 - спектры отражения солнечного излучения и значения коэффициента поглощения солнечного излучения для блестящей лицевой (2В) и матовой обратной (2М) сторон необработанного образца FCC из Фиг. 2.
Фиг. 17 - спектры отражения солнечного излучения и значения коэффициента поглощения солнечного излучения для блестящей лицевой (1 В) и матовой обратной (1М) поверхностей FCC, обработанного ионным пучком (образец №1).
Фиг. 17а - девятая таблица, иллюстрирующая термооптические характеристики обработанного ионным пучком (образец №1) и необработанного (образец №2) FCC до испытания в условиях, имитирующих околоземное пространство.
Фиг. 17b - десятая таблица, иллюстрирующая термооптические характеристики необработанных, обработанных ионным пучком и испытанных в условиях, имитирующих условия в околоземном пространстве, образцов FCC, выбранных из первой серии.
Фиг. 17с - одиннадцатая таблица, иллюстрирующая термооптические характеристики обработанных ионным пучком FCC до и после испытания в условиях, имитирующих условия в околоземном пространстве в течение 15 лет, у образцов, выбранных из второй серии.
Фиг. 17d - двенадцатая таблица, иллюстрирующая значения удельного поверхностного сопротивления FCC, исследованных на устойчивость к ESD.
Фиг. 18 - поверхностный потенциал, измеренный во время испытания с зарядкой при -145°С.
Было обнаружено, что у всех FCC, выбранных из немногочисленных производственных серий, существует значительное различие между блестящей лицевой поверхностью и шероховатой, матовой и «сероватой», «загрязненной» обратной поверхностью (Фиг. 1 и Фиг. 2). Кроме того, шероховатость и темный цвет поверхности обратной стороны отличались у различных производственных серий образцов и не были однородными даже в пределах каждого образца FCC (см. Фиг. 2). Таким образом, необходимо было проанализировать различия между однородными плоскими поверхностями пленки Kapton 100HN и реальными поверхностями FCC, которые включали такие признаки, как наличие «бороздок» на обеих сторонах, наличие включенных «загрязнений» в форме неорганических частиц (частиц порошкообразной пемзы, как можно видеть ниже) и сильную шероховатость обратной стороны, температурную чувствительность адгезива, используемого при изготовлении FCC, и проблемы с маскировкой медных контактов.
Технология изготовления FCC согласно предшествующему уровню техники включает две стадии абразивной очистки, которые необходимы для получения хороших адгезионных свойств медной поверхности для последующих стадий соединения склеиванием. Это осуществляют с использованием водной суспензии частиц «порошкообразной» пемзы, которую распыляют под высоким давлением на субблок FCC (с обеих сторон), сходным образом с тем, что осуществляют в производственной линии согласно технологии производства печатных плат (РСВ; от англ.: printed circuit board). Это объясняет отличия внешнего вида и шероховатость обратной поверхности, а также наличие включенных частиц пемзы, поскольку полимерную пленку с обратной стороны два раза подвергают такой обработке.
Из-за сильного преимущественного распыления полимерной матрицы по сравнению с частицами пемзы во время обработки ионным пучком, частицы пемзы в поверхностных/подповерхностных слоях обнажаются и не позволяют обеспечить удельное поверхностное сопротивление (SR; от англ.: surface resistivity), сопоставимое с обработанными лицевыми поверхностями.
Поэтому важно не только снизить или даже устранить влияние бороздок на обеих сторонах FCC на однородность удельного поверхностного сопротивления, обусловленного обработкой ионным пучком, но и решить проблему шероховатости поверхности и наличия «включенных» частиц пемзы на обратной стороне до или в процессе осуществления технологических стадий обработки поверхности ионным пучком по настоящему изобретению. Попытки очистить обратные поверхности, которые включают механическую, химическую и комбинированную механическую/химическую обработки, не позволяют удалить частицы пемзы. Это препятствует последующему использованию средств согласно предшествующему уровню техники для обработки этой поверхности. Способ по настоящему изобретению, описанный ниже, оставляет интактной толщину исходных полимерных пленок FCC после обработки ионным пучком и обеспечивает желаемые значения SR и однородность на обеих поверхностях FCC и одновременно обеспечивает все остальные функциональные требования к FCC.
Обработку поверхности по настоящему изобретению выполняют посредством сочетания обработки ионным пучком и высокотехнологичного подхода «постоянно обновляемой карбонизованной поверхности», который позволяет компенсировать преимущественное распыление органической поверхности динамическим образом, то есть во время обработки. Это обеспечивают за счет использования того же газового источника ионного пучка, но с изменением состава газа посредством постоянного добавления углеродсодержащего газа (в данном конкретном случае - ацетилена) к инертному газу Ar, подаваемому в источник. Диссоциация углеродсодержащего газа в плазме внутри источника ионного пучка обеспечивает ускоренные углеродсодержащие ионы для динамического обновления рифленой поверхности или рифленой поверхности с включенными неорганическими частицами (пемзы) для предотвращения зависимого от угла распыления поверхности и эффектов затенения, одновременно обеспечивая протекание процессов поверхностной карбонизации в органической полимерной части тонкого подповерхностного слоя, расположенного под постоянно обновляемой поверхностью.
2
3
Карбонизация поверхности - это очень широкий термин, относящийся к обработке полимеров ионным пучком. Он охватывает очень широкий диапазон - от превышения концентрации углерода на несколько процентов до почти полной «графитизации» с очень вариабельным уровнем реконструкции химических связей, например - от sp до sp гибридизованных состояний углеродных связей, в полимерных поверхностях и подповерхностных зонах, в зависимости от разнообразных условий бомбардировки ионами. Конечные обработанные поверхностные слои могут отличаться по составу, структурным характеристикам и конечным свойствам. Кроме того, из-за вариабельных уровней карбонизации, различной толщины модифицированных подповерхностных слоев из-за энергии ионного пучка и процессов диффузии газов конечное изменение элементного химического состава и реструктурирование химических связей также чувствительно к температуре во время бомбардировки. Поэтому конечные функциональные свойства обработанной полимерной поверхности, такие как удельное поверхностное сопротивление, термооптические свойства, срок службы и устойчивость к излучениям, могут быть очень разными.
Ниже будет описан способ обработки поверхности ионным пучком по настоящему изобретению.
Известно, что во время технологических процедур обработки поверхности ионным пучком для сокращения времени обработки образцы должны быть подвергнуты воздействию высокоинтенсивных высокоэнергетических ионных пучков, что приводит к значительному распылению поверхности и к повышению температуры. Кроме того, многие установки для обработки ионным пучком содержат источники тепла для использования во время некоторых стадий процесса. Например, могут быть использованы некоторые стадии обработки при повышенных температурах. Однако согласно настоящему изобретению следует соблюдать строгие температурные ограничения, то есть температуры, не превышающие 110°С, что определяется специальным адгезивом, используемым при изготовлении FCC, несмотря на то, что полиимид Kapton является высокотемпературным полимером, стабильным в вакууме при температурах, превышающих 300°С. Поэтому в вакуумную камеру встроен и используется специальный датчик для контроля температуры, расположенный вне «линии наведения» ионного пучка.
2
2
Поскольку полиимид Kapton обычно содержит значительное количество абсорбированного водяного пара, особое внимание следует уделить процедуре дегазации. Обработка ионным пучком с обновлением поверхности в условиях высокого вакуума легко может быть нарушена из-за присутствия малых количеств влаги вследствие дегидратации образцов и дегазации захваченных пузырьков воздуха в вакуумной камере. Поэтому обработку проводят после предварительной, обычно - в течение 2 часов, стадии дегазации в высоком вакууме, во время которой температуру FCC поддерживают равной примерно 35°С.Затем, не нарушая высокий вакуум, FCC-элементы, прикрепленные к вращающемуся барабану, обрабатывают ионным пучком Аr с добавлением ацетилена (СН) в количестве, равном 8 об. %.
а) В способе по настоящему изобретению можно использовать высоковакуумную установку KVARC-700, оборудованную вращающимся барабаном из нержавеющей стали диаметром 0,5 м, технологическим линейным газовым сильноточным источником пучка ионов с низкой или средней энергией и независимым нагревателем.
Для крепления FCC к барабану можно использовать специальную полиимидную самоклеющуюся ленту с силиконовым адгезивом (CGSTAPE-8358, 1 дюйм). Контакты из медной фольги маскируют лентой, включая 2,5 мм+/-1 мм верхней (полимерной) поверхности, примыкающей к медным контактам.
-3
После закрытия дверцы установки включают вакуумный насос и после достижения требуемого уровня вакуума, равного примерно 3×10 Па, выполняют предварительный нагрев FCC посредством включения нагревателя, излучение которого направлено к вращающемуся барабану. Предварительный нагрев до 35°С выполняют в высоком вакууме и продолжают его в течение примерно 2 часов для усиленной дегазации FCC, при этом контроль температуры осуществляют с использованием специально откалиброванного блока термочувствительных датчиков, расположенного внутри вакуумной установки. Последующую обработку ионным пучком выполняют с использованием газового источника ионов линейного типа, который работает на калиброванной смеси Аr и углеродсодержащего газа (ацетилена) при технологических параметрах и в течение времени, указанных ниже. После завершения обработки, которую, как было установлено экспериментально, лучше всего проводить в течение примерно 16 минут, пучок ионов и вакуум отключают, и дверца открывается автоматически после завершения обработки для проведения измерений температуры FCC и барабана с целью контрольного подтверждения конечной температуры. После измерения температуры, которая не должна превышать 62-65°С, FCC следует оставить на барабане для охлаждения примерно на 30 минут, после чего их вынимают из барабана для проведения измерений SR карбонизованного верхнего поверхностного слоя. Тем временем бомбардировку ионным пучком Аr можно использовать для очистки барабана в ходе подготовки к следующей стадии обработки.
b) Значения удельного поверхностного сопротивления лицевой поверхности порядка 10 МОм/кв., достигнутые за счет обработки по настоящему изобретению, не изменяются, после того как FCC переворачивают, снова прикрепляют к барабану так, чтобы обработанные лицевые поверхности были обращены к уже очищенному барабану, и подвергают обратные поверхности сходной процедуре. Таким образом можно успешно произвести необходимую обработку по настоящему изобретению обеих поверхностей FCC, используемых для прикладных задач, связанных с космическими солнечными батареями.
Номинальные наилучшие результаты обработки FCC были достигнуты при следующих параметрах обработки:
Установка: KVARC-700; газовая смесь для получения ионного пучка, состоящая из Аr (92 об. %) и ацетилена (8 об. %).
Энергия ионного пучка - от 2,5 кэВ до 3 кэВ; ток ионного пучка - 195 мА; напряжение смещения на барабане - 150 В.
Температура: <65°С; продолжительность обработки ионным пучком - примерно 16 минут.
Далее будет описано измерение удельного поверхностного сопротивления (SR) после обработки.
Удаление обработанных FCC с барабана следует производить очень осторожно, чтобы избежать их повреждения. Элементы размещают на столе для измерения SR, покрытом мягкой тканью (толстой резиной) и листом чистой бумаги. Все измерения SR проводят с использованием специального зонда, который в течение многих лет успешно использовали для измерений на полимерных пленках или сравнительно небольших образцах/изделиях, сверху покрытых полимерными пленками. Зонд может быть сходным с описанным в публикации [9]. Измерения SR после изготовления выполняли сразу же после помещения FCC на стол с использованием калиброванного прибора для измерения SR и цифрового мультиметра (производства компании Uni-Trend Technology, модель UT55) с выполненным по специальному заказу зондом для измерения удельного поверхностного сопротивления или мегомметра 4329А производства компании Hewlett-Packard при напряжении, равном 100 В, с тем же выполненным по специальному заказу зондом для измерения удельного поверхностного сопротивления.
Такую же процедуру обработки следует произвести на обратной стороне, после чего выполняют измерения SR, при этом характерные значения SR лежат в диапазоне от 10 МОм/кв. до 20 МОм/кв. FCC признают успешно обработанными с обеих сторон, если на обеих поверхностях не обнаружены визуальные дефекты, и значения SR в любой точке обработанных лицевой и обратной поверхностей FCC меньше 80 МОм/кв.
С использованием контрольных измерений SR можно подтвердить, что удельное поверхностное сопротивление на обеих сторонах обработанных FCC не изменяется в течение по меньшей мере 1 года или более при хранении в нормальных лабораторных условиях. Это является подтверждением гарантированного срока службы, равного по меньшей мере 1 году, с сохранением свойств поверхностного рассеивания заряда у поверхностей обработанных FCC, изготовленных по настоящему изобретению.
Обработка ионным пучком является очень многоцелевой технологией, которую используют для различных вариантов модификации поверхностей, и она иногда обладает способностью резко изменять морфологию поверхности, что может быть желательным эффектом или побочным эффектом, подлежащим устранению, в зависимости от прикладных задач. На обеих сторонах обработанных FCC может возникнуть некоторое потемнение. Такой визуальный эффект может быть связан либо с изменением морфологии, либо с изменением состава поверхности вследствие обработки.
Посредством контрольного анализа поверхностей можно показать, что другой важной частью настоящего изобретения является отсутствие каких-либо влияний разработанной обработки ионным пучком с обновлением поверхности на морфологию обеих обработанных поверхностей FCC. Результаты SEM-анализа были получены на обработанных FCC и представлены на Фиг. 5а и 5b для лицевой поверхности и на Фиг. 6а и 6b для обратной поверхности, и они полностью подтверждают отсутствие изменений морфологии поверхностей после обработки FCC на вращающемся барабане. Поэтому эффект потемнения после обработки можно большей частью объяснить изменением элементного состава - выделением легких газообразных конечных продуктов и возможной реконструкцией химических связей - поверхностной карбонизацией.
Далее будут описаны результаты XPS-анализа модифицированного поверхностного слоя на основании общих обзорных результатов и результатов, полученных при высоком разрешении.
α
-
+
Для оценки ожидаемого эффекта карбонизации после использования способа, описанного выше, для обработки поверхности FCC можно выполнить рентгеновский фотоэлектронный спектроскопический анализ (XPS) преимущественно на лицевой поверхности, чтобы избежать влияния на результаты анализа обработанных поверхностей загрязняющих элементов, содержащихся в частицах пемзы. Способ XPS, который используют для анализа элементного состава самого верхнего поверхностного слоя с толщиной в несколько десятков ангстрем (и от 50 ангстрем до 100 ангстрем в полимере), может быть выполнен на XPS-спектрометре Thermo Scientific Theta Probe (производства компании ThermoFisher, Е. Grinstead, Соединенное Королевство). Образцы пропускают через прибор в стандартном режиме и используют монохроматический источник рентгеновского излучения AlK линии с размером пятна, равным 400 мкм или менее, в зависимости от необходимости. При необходимости обеспечивают компенсацию заряда с использованием комбинированного е/Аr считывающего электронного прожектора. Положение энергетической шкалы регулировали, размещая основной C1s пик (С-С) на уровне 285,0 эВ. Обработку данных выполняли с использованием программного обеспечения («Avantage»), поставленного с прибором.
Обзорные сканы необработанной пленки Kapton 100HN (в качестве исходного уровня для сравнения) и модифицированной пленки Kapton 100HN с лицевых поверхностей обработанных FCC представлены на Фиг. с 7 по 9, а элементные составы, определенные посредством XPS анализов, приведены в таблицах на Фиг. 9а и Фиг. 9b.
2
2
2
2
Обзорный скан необработанной пленки Kapton HN приведен на Фиг. 7. Следующий обзорный скан, относящийся к лицевой поверхности FCC, обработанного ионным пучком (Аr+СН), выполненный в середине обработанной плоской области, расположенной над медной лентой, приведен на Фиг. 8. При сравнении видно, что после такой обработки на поверхности наблюдаются полное отсутствие N и Si, снижение содержания кислорода и значительное увеличение содержания С.Результаты дополнительного обзорного XPS-скана на другом пятне, взятом из другого случайно выбранного FCC, обработанного ионным пучком (Аr+СН), приведены на Фиг. 9 и хорошо согласуются с результатами, приведенными на Фиг. 8; они полностью подтверждают сильный эффект карбонизации, вызывающий изменение состава поверхности FCC, обработанных по настоящему изобретению, что определено посредством XPS.
Это означает, что очень тонкий «виртуальный» обогащенный углеродом слой, динамически осажденный и распыленный во время обработки, не препятствует осуществлению под ним эффекта карбонизации в подповерхностном слое полимера во время бомбардировки ионами. Из обзорных сканов, указанных выше, и полученных из них количественных результатов очевидно, что в обработанной ионным пучком пленке Kapton 100HN, расположенной на верхней стороне FCC, основным элементом на поверхности является углерод (от 91 ат. % до 92 ат. %) в результате поверхностной карбонизации из-за выполненной обработки. Некоторое количество кислорода все еще присутствует на поверхности - от примерно 7 ат. % до примерно 10 ат. %, что свидетельствует о том, что полученный состав обусловлен изменениями в материале Kapton HN, а не осаждением слоя углерода на поверхности.
Деконволюция отдельных пиков в высокоразрешенных XPS-спектрах обычно является признаком наличия различных типов химических связей конкретного элемента, о чем свидетельствуют сдвиги энергии связи. Например, деконволюция углеродного пика, указанная в таблице из Фиг. 9с, может быть признаком наличия большого количества «нарушенных» С-С связей (примерно 85%), от примерно 10% до примерно 12% карбонильных связей углерода с кислородом и примерно 2% карбоксильных связей углерода с кислородом в модифицированном верхнем поверхностном слое.
4
Для того чтобы определить толщину подповерхностного слоя, можно использовать способ профилирования по глубине посредством времяпролетной вторично-ионной масс-спектроскопии (ToF-SIMS; от англ.: time of flight secondary ion mass spectroscopy). Углеродное профилирование может быть прямым; однако постепенный переход карбонизированного слоя в исходный полимер создает трудности для любого точного разграничения. Подход к использованию распределения по глубине элемента из источника ионов, в данном случае - аргона, неосуществим, поскольку газообразное состояние приводит к дегазации Аr во время обработки FCC в вакууме. Поэтому используют следовой элемент - кремний, который можно имплантировать посредством добавления небольшого, следового, количества силана (SiH) в рабочий газ источника ионного пучка во время обработки ионным пучком образца FCC, выделенного для анализа ToF-SIMS посредством профилирования по глубине. В заключение провели корреляцию профилей по глубине ToF-SIMS с литературными значениями [10] для распыления пленки Kapton HN ионами аргона в сходных условиях, чтобы получить корреляцию времени распыления и глубины. Глубину обработки ионным пучком с постоянным обновлением поверхности в приложении к FCC-изделиям определили как примерно равную или менее 50 нм. Теоретический расчет с использованием TRIM кода (Transition of Ions in Matter [9]) для имплантации кремния дал сопоставимые значения и таким образом подтвердил экспериментальные результаты.
Далее будет более подробно описана оценка изготовления рассеивающего заряд слоя на FCC.
В описании способа по настоящему изобретению FCC уже охарактеризован как пример профилированной/ребристой диэлектрической полимерной поверхности с включенными в поверхность неорганическими частицами или поверхности диэлектрических полимерных композитов. Задача данного раздела состоит в том, чтобы продемонстрировать характеристики, которые могут быть получены с использованием предложенного способа на реальном изделии FCC.
Назначение FCC состоит в том, чтобы соединять пучки питания и сигнальные пучки между панелями и отклоняющим устройством крыла солнечной панели. Вследствие этого FCC принимает участие в развертывании крыла солнечной батареи в космосе. Поэтому ключевые свойства стандартного FCC связаны с электрическими и механическими объемными свойствами. Из-за заряжающих условий в космосе, например - на геостационарной орбите, и диэлектрических свойств материала Kapton (полиимида) на стандартном FCC во время службы на орбите образуется зарядный потенциал. Это создает риск электростатического разряда (ESD; от англ.: electrostatic discharge) или образования электрической дуги в направлении фотогальванической сборки и силовых разъемов, находящихся в непосредственной близости. Далее серию из 50 FCC с рассеивающей заряд поверхностью, полученной способом по настоящему изобретению (инновационный пример, IE; от англ.: innovative example) охарактеризовали по их объемным свойствам и сравнили со стандартными FCC (сравнительный пример, СЕ; от англ.: comparative example). Кроме того, были исследованы стабильность и эксплуатационные характеристики рассеивающих заряд поверхностей.
Образцы для сравнительных примеров и примеров с обработкой по настоящему изобретению были приготовлены следующим образом:
a) Сравнительный пример (СЕ)
Были приобретены стандартные кабели с плоскими проводниками (FCC), используемые для солнечных батарей, например - на геостационарных телекоммуникационных спутниках. Они имеют следующую конфигурацию:
Проводник: SE-Cu, без оболочки, в состоянии после прокатки (DIN 1787/1791/17670), толщина 127 мкм ±4 мкм.
Покровные пленки: DuPont Pyralux Coverlay LF 0110 25/25 - полиимидная пленка с акриловым адгезивом; 25 мкм Kapton HN+25 мкм адгезива; 50 мкм ±3 мкм.
b) Пример по настоящему изобретению (IE)
50 стандартных FCC, идентичных использованным в СЕ, различного размера (105 мм, 205 мм) обработали с использованием следующего ионно-лучевого способа:
Установка: KVARC-700, высоковакуумная установка с вращающимся барабаном (диаметр 0,5 м, нержавеющая сталь).
Технологические условия:
-3
- исходный вакуум - примерно 3×10 Па; два часа дегазации прогревом в вакууме при 35°С перед обработкой;
2
2
- источник ионного пучка линейного типа, работающий на смеси аргона (92 об. %) и ацетилена (СН, 8 об. %);
- энергия ионного пучка - от 2,5 кэВ до 3 кэВ; ток ионного пучка - 195 мА; напряжение смещения на барабане - 150 В;
- температура <65°С; продолжительность обработки - 16 минут;
- вторая поверхность обработана во время отдельного технологического прогона при таких же технологических условиях;
- фиксация FCC к барабану и маскировка концов медных проводников и прилежащего края поверхности материала Kapton полиимидной самоклеющейся лентой с силиконовым адгезивом (CGSTAPE-8358, 1 дюйм).
50 FCC обработали с обеих сторон за несколько технологических стадий.
IE и СЕ сравнили по всем объемным и поверхностным свойствам, значимым для их применения в качестве соединений между панелями в развертываемой солнечной батарее. Ниже приведена краткая сводка результатов.
Механические и электрические объемные свойства
Момент сопротивления обработанных ионным пучком FCC измерили при различных температурах (-90°С, 23°С и 150°С, Фиг. 10) и сравнили с результатами, полученными на стандартных FCC. Полученные малые значения для различных конфигураций (с различной длиной) были очень близкими к значениям у стандартных FCC и в целом показали отсутствие влияния на развертывание панели.
Моменты сопротивления FCC, обработанных ионным пучком, также определили через 10 циклов изменения температуры между -175°С и 150°С. Они остались неизменными в пределах точности измерения. Стандартное испытание FCC для демонстрации прочности во время операций складывания называют испытанием на прочность при изгибе (5 циклов по 40 операций складывания). Оно состоит в многократном складывании вокруг стержня с определенным диаметром, в данном случае - 3 мм. Обработанные образцы для испытаний успешно прошли это испытание. Продемонстрировано, что настоящее изобретение, примененное к стандартным FCC, не оказывает влияния на их механические объемные свойства.
Значимыми электрическими объемными свойствами FCC являются непрерывность медных проводников, сопротивление изоляции между медными проводниками и сопротивление изоляции между медным проводником и покровной пленкой Kapton.
Эти свойства определили у всех обработанных ионным пучком FCC, которые проходили какие-либо испытания. Все обработанные FCC прошли испытание на непрерывность (измерение отдельных медных жил, падение напряжения при 100 мА). Сопротивление изоляции между медными проводниками измерили посредством попеременного подключения отдельных медных жил к положительному и отрицательному полюсу с напряжением смещения, равным 500 В.
Все полученные значения были выше 20 ГОм, в соответствии со стандартом свойств FCC. Сопротивление между медными проводниками и пленкой Kapton измеряли методом влажной губки. В этом тесте медные жилы соединяли с одним полюсом, а пленку Kapton соединяли с другим полюсом губчатого электрода, смоченного в смеси воды и этанола. Приложенное напряжение смещения составляло 500 В. Полученные значения сопротивления снова, как и для стандартных FCC, были выше 20 ГОм. Непрерывность и сопротивление (медь с медью, медь с Kapton) различных протестированных рассеивающих заряд FCC снова определяли после следующих испытаний:
- Циклическое изменение температуры от -175°С до 150°С
- Прочность при изгибе (5 циклов по 40 операций складывания)
- Испытание на влагостойкость при 60°С, относительной влажности в диапазоне от 90% до 95%, в течение 96 часов
- Хранение в условиях «чистой комнаты» с климатическим контролем в течение 180 дней в сложенном состоянии, репрезентативном для сложенного крыла солнечной батареи.
Результаты, полученные после этих испытаний на воздействие окружающей среды, по-прежнему соответствовали стандартным FCC (отсутствие обрывов, значения сопротивления выше 20 ГОм). Поэтому электрические объемные свойства стандартных FCC не нарушаются при использовании способа получения рассеивающих заряд поверхностей по настоящему изобретению.
Поверхностные свойства
Удельное поверхностное сопротивление определяли двухточечным зондом при напряжении смещения, равном 100 В. Для получения хорошего контакта с неплоской и микроскопически шероховатой поверхностью (обратная сторона FCC) были выбраны электроды из мягкой электропроводящей силиконовой пены (способ А). Второй способ, в котором использовали металлические электроды и мягкую непроводящую подложку под рассеивающими заряд FCC (способ В) также показал хорошее соответствие полученных значений с первым способом, что показано в таблице, приведенной на Фиг. 10а.
Удельное поверхностное сопротивление измеряли у коротких FCC (105 мм) в центре. В случае FCC длиной 205 мм было проведено три измерения по длине. В Таблице, приведенной на Фиг. 10b, приведены значения удельного поверхностного сопротивления, полученные у 50 FCC (примечание: для длинных FCC приведены средние из трех значений; максимальное и минимальное значения перекрывают все значения). Верхнюю необходимую границу удельного поверхностного сопротивления получили на основании теоретических соображений и задали равной 80 МОм/кв. Цель состояла в том, чтобы значения были значительно ниже этого требуемого значения и близкими к 10 МОм/кв. Способ по настоящему изобретению позволил достичь этой цели на обеих сторонах FCC, несмотря на неплоскую поверхность и различия на микроскопическом уровне (шероховатость и неорганическое загрязнение). Хотя различия между гладкой лицевой и шероховатой обратной поверхностями, загрязненными в различной степени, не удалось полностью исключить, авторы настоящего изобретения смогли минимизировать их влияние на результаты обработки. Это достижение можно признать исключительно хорошим результатом применения разработанной инновационной технологии обработки.
15
16
При сравнении удельное поверхностное сопротивление необработанных FCC с необработанной поверхностью из материала Kapton (СЕ) лежало в изоляционном диапазоне от 10 Ом/кв. до 10 Ом/кв.
Стабильность и эксплуатационные свойства удельного поверхностного сопротивления были испытаны в условиях, наиболее сходных с условиями во время использования в наземных и орбитальных условиях, а именно:
- влажность (ускоренное старение);
- длительное хранение в репрезентативных наземных условиях;
- циклическое изменение температуры;
- воздействие частиц (протонов, электронов) и УФ-излучения, репрезентативных для геостационарной орбиты;
- заряжающая среда на геостационарной орбите, включая наихудшие условия, выбранные так, чтобы они перекрывали квалификационные требования к наружным поверхностям проектируемых телекоммуникационных спутников.
Удельное поверхностное сопротивление оставалось стабильным при испытании на влагостойкость. Данные в таблице на Фиг. 10с демонстрируют некоторый разброс результатов измерения. Это особенно относится к шероховатым сторонам FCC (см., например, более низкое значение после испытания на влагостойкость образца 7-O).
Вторым аспектом, который был исследован, была устойчивость удельного поверхностного сопротивления при длительном хранении в характерных условиях «чистой комнаты» с климатическим контролем и в сложенном состоянии. Удельное поверхностное сопротивление измеряли через 1, 2, 4, 8, 14, 25, 66, 120 и 180 дней (Фиг. 11). Подтверждено стабильное поведение во время этого промежутка времени.
Сходные результаты измерений получены на параллельно или случайным образом выбранных образцах FCC, хранившихся в лабораторных условиях в течение 12 месяцев. Регулируемая карбонизация поверхности полимерного или композитного материала, описанная выше, позволяет получить рассеивающую заряд поверхность материала, удельное поверхностное сопротивление остается стабильным при характерных наземных испытаниях и в условиях окружающей среды, характерных для FCC.
Стабильность удельного поверхностного сопротивления при циклическом изменении температуры
В таблице на Фиг. 11а указаны значения удельного поверхностного сопротивления, измеренные способом А, до и после циклического изменения температуры. Значения не изменились (имеются лишь очень малые различия из-за разброса результатов измерения; примечание: значения несколько отличаются от значений, приведенных в таблице на Фиг. 10b, из-за различия способов измерения А и В, однако они очень хорошо соответствуют этому диапазону значений удельного поверхностного сопротивления).
Во время циклического изменения температуры (в сухом азоте) удельное поверхностное сопротивление измеряли in situ. На Фиг. 12 показана зависимость удельного поверхностного сопротивления от температуры. Эти результаты полностью подтверждают, что поверхности обработанных FCC сохраняют свои свойства рассеивания заряда во всем диапазоне температур. Эти данные позволяют идентифицировать механизм поверхностной электропроводности с использованием подхода, описанного в публикациях [16, 17]. Численные аппроксимации кривых 1/SR(T) привели к выводу, что механизм поверхностной электропроводности, вероятнее всего, является механизмом трехмерной прыжковой электропроводности с переменной скоростью, сходным с подтвержденным для обработанных ионным пучком тонких полимерных пленок в публикации [18].
Стабильность SR в условиях, имитирующих условия на геостационарной орбите
Невозможно точно воспроизвести условия космического пространства в наземных испытаниях элементов космических систем из-за разнообразия и сложности этих условий и их воздействия на материалы. Надежность результатов испытаний зависит от имитации критических воздействий условий космического пространства для конкретной космической программы. Основными задачами имитации являются получение результатов испытания, соответствующих поведению материала в условиях космического пространства, и использование существующих источников излучения и способов, доступных в испытательной лаборатории.
Во время проектирования космических систем необходимо имитировать длительное время экспедиции за разумное наземное время. По этой причине необходимо проводить ускоренные испытания. Часто необходимо использовать мощности дозы излучения, которые могут быть на несколько порядков выше, чем в естественных условиях космического пространства. Основное требование к корректной имитации в испытаниях с излучением включает имитацию корректных воздействий на материалы в космическом пространстве в результате анализа типа, спектра (энергии) и мощности поглощенной дозы излучения.
-5
Обработанные и необработанные FCC-элементы подвергали экспозиции в условиях, имитирующих условия в околоземном пространстве согласно публикации [12], с использованием уникальной испытательной установки. Образцы и полученные на них результаты, описанные в данном разделе, были включены в программу испытаний в дополнение к FCC, представленным в таблице на Фиг. 10b. Поэтому маркировка образцов в этом разделе является независимой от серии из 50 образцов. Установка для имитации условий в околоземном пространстве была разработана для изучения физико-химических свойств материалов и покрытий при раздельном и комбинированном воздействии факторов космического пространства, которые могут влиять на материалы в околоземном пространстве. Факторами, которые необходимо учитывать, являются вакуум глубиной до 10 Па, электроны и протоны с энергией до 50 кэВ, солнечное электромагнитное излучение до 10 SEE (эквивалент инсоляционной экспозиции; от англ.: solar exposure equivalent) и температура в диапазоне от -150°С до +150°С.
+
-
11
-1
-2
11
-1
-2
16
-2
р
p
е
e
p
Каждую серию случайным образом выбранных коротких FCC-элементов поместили в отдельный изготовленный по специальному заказу держатель образцов и подвергли воздействию комбинированного излучения, состоявшего из протонов, электронов и ультрафиолетового излучения. Первую серию из трех FCC-элементов подвергли облучению комбинированным р + е + УФ-излучением с энергией протонов Е, равной 20 кэВ, плотностью тока, равной J=5⋅10 с см, энергией электронов, равной Е=40 кэВ, плотностью тока J=5⋅10 с см и с одновременной экспозицией УФ-излучением. Выбранные условия соответствуют плотности потока, равной F=6⋅10 см, что примерно соответствует 15 годам экспозиции, эквивалентной экспозиции в околоземном пространстве. Из-за хорошо известных ограничений экспозиция УФ-излучением была выбрана в 2 раза большей, чем интенсивность солнечного света. Во время экспериментов с испытаниями температуру образцов поддерживали примерно равной 52°С.
Были выполнены фотографии оптических изображений испытанной первой серии образцов и произведены измерения удельного поверхностного сопротивления по истечении промежуточного времени, равного примерно 4 годам, и затем после 15 лет экспозиции в условиях, эквивалентных условиям в околоземном пространстве. Фиг. 13 и Фиг. 14 демонстрируют результаты в отношении промежуточного и конечного внешнего вида образцов 1301, 1302, 1303 и 1401, 1402, 1403. Явные визуальные различия (степени потемнения) демонстрируют усиливающийся эффект имитированной радиации в околоземном пространстве на поверхности испытанных FCC-элементов. Видно, что обе стороны необработанных (включенных в первую серию) и обработанных ионным пучком FCC, включенных в первую и вторую серии образцов и подвергнутых воздействию условий, имитирующих условия в околоземном пространстве, стали более темными по истечении 4 лет и в конечном итоге сильно почернели после 15 лет экспозиции, эквивалентной условиям в околоземном пространстве. Изображения на Фиг. 14 отчетливо иллюстрируют визуальные различия между передней и задними поверхностями испытанных FCC-элементов 1401, 1402, 1403 - лицевая сторона (1401) FCC, подвергнутых экспозиции, выглядела почти черной, но оставалась блестящей, тогда как обратная сторона выглядела темной и серо-черной и оставалась матовой (1402, 1403).
Вторая серия FCC-элементов, испытанных в условиях околоземного пространства, как указано выше, включала три образца, обработанных ионным пучком, которые были испытаны в течение тех же 15 лет эквивалентной экспозиции, в условиях, имитирующих околоземное пространство. Два коротких FCC-элемента, обработанных ионным пучком (образцы №51 и №52 на Фиг. 15), были подвергнуты экспозиции с лицевой и обратной сторон, соответственно; кроме того, экспозиции была подвергнута обратная сторона части обработанного ионным пучком длинного FCC, и этот образец использовали позже для анализа поверхности. Можно видеть такое же сильное потемнение второй серии образцов, испытанных в условиях, имитирующих околоземное пространство, как и в случае первой серии образцов. Оценили изменения количественных характеристик элементов, обработанных ионным пучком и испытанных в условиях, имитирующих околоземное пространство, таких как удельное поверхностное сопротивление и термооптические свойства.
Значения удельного поверхностного сопротивления измерили у всех образцов FCC из двух серий, испытанных в условиях, имитирующих околоземное пространство. Провели измерения на лицевой и обратной поверхностях FCC, обработанных ионным пучком и подвергнутых воздействию радиации, и необработанных образцов (для получения исходных уровней для сравнения и оценки эффектов испытания).
3
9
В случае испытанных необработанных FCC по истечении времени, эквивалентного 4 годам и 15 годам экспозиции условиям, имитирующим околоземное пространство, значения удельного поверхностного сопротивления (SR) по-прежнему превышали 10 МОм/кв. (10 Ом/кв.), то есть значительно превышали требуемое значение, равное 80 МОм/кв. В случае второй испытанной серии образцов было отмечено снижение измеренных значений (SR) у всех обработанных ионным пучком образцов после наземных испытаний, эквивалентных 15 годам пребывания в околоземном пространстве, и эти результаты представлены в таблице на Фиг. 14а.
После испытания, эквивалентного 15 годам пребывания в условиях околоземного пространства, все испытанные лицевые и обратные поверхности обработанных ионным пучком FCC оставались полностью рассеивающими заряд. Кроме того, удельное поверхностное сопротивление снизилось у всех испытанных обработанных ионным пучком FCC во время испытаний, эквивалентных условиям в околоземном пространстве), достигнув значений SR, лежавших в узком диапазоне от 3 МОм/кв. до 7 МОм/кв. после испытания, эквивалентного 15 годам пребывания в околоземном пространстве. Это означает, что во время испытания во всех обработанных ионным пучком образцов FCC наблюдался феномен так называемой индуцированной радиацией поверхностной электропроводности [13].
Термооптические свойства в условиях, имитирующих условия в околоземном пространстве
Поскольку во время практического использования FCC в солнечных батареях, они будут подвергаться воздействию условий околоземного пространства, т.е. являться частью наружных функциональных структур, еще одной очень важной частью настоящего исследования является полная оценка термооптических характеристик лицевой и обратной сторон необработанных и обработанных ионным пучком образцов FCC, а также образцов FCC, подвергнутых воздействию условий, имитирующих околоземное пространство. На Фиг. 15 представлены все образцы, использованные в данном исследовании для измерения термооптических характеристик.
На Фиг. 15 слева направо представлены образцы из первой и второй испытанных серий образцов (1510 и 1520) и не испытанной контрольной серии (1530), которые маркированы по отдельности (№5, №1, №6 - первая испытанная серия, №51, №52, длинные - вторая испытанная серия, №2, №3 - необработанные и обработанные ионным пучком (но не испытанные) FCC, слева направо). Все лицевые и обратные поверхности, испытанные в условиях, имитирующих околоземное пространство, были черноватыми (лицевые) или темно-серыми (обратные), и их легко можно было отличить друг от друга - лицевые поверхности были блестящими, а обратные - матовыми. Из двух последних не испытанных образцов справа №2 является необработанным, а №3 - обработанным ионным пучком; оба образца не проходили испытания. Термооптические свойства этих образцов измерили, чтобы иметь исходный уровень для сравнения.
Спектры отражения солнечного излучения были получены для всех FCC, представленных на Фиг. 15, и на основании этих измерений были рассчитаны значения коэффициента поглощения солнечного излучения а согласно стандарту ASTM Е903 [14]. Тепловую излучательную способность е измерили согласно стандарту ASTM Е408 [15].
Результаты для необработанного образца FCC №2, у которого лицевая блестящая сторона обозначена как 2В, а обратная матовая сторона - как 2М, представлены на Фиг. 16, а спектры и значения коэффициента поглощения солнечного излучения а для блестящей лицевой (1В) и обратной матовой (1М) поверхностей обработанного ионным пучком образца №1 представлены на Фиг. 17.
Отчетливо видно, что обработка ионным пучком уменьшила отражательную способность в видимой и ближней инфракрасной областях спектра (сравните Фиг. 16 и Фиг. 17). Результаты измерения теплоизлучательной способности показали незначимое изменение ε на обеих поверхностях после обработки ионным пучком, и эти термооптические результаты представлены в таблице на Фиг. 17а.
s
s
Изменение коэффициента поглощения солнечного излучения вследствие проведенной обработки ионным пучком в случае лицевой поверхности FCC составило примерно Δα=0,09, а в случае задней поверхности соответствовало примерно Δα=0,12. Измерения теплоизлучательной способности не выявили измеримого изменения после обработки ионным пучком.
front
back
back
Для того чтобы получить прогноз относительно потенциальных свойств в конце срока службы (EOL; от англ.: end-of-life) после 15 лет пребывания в условиях околоземного пространства, определили спектры отражения солнечного излучения и значения коэффициента поглощения солнечного излучения у двух необработанных (образцы №5 и №6) и одного обработанного ионным пучком (образец №1) FCC после полного испытания в условиях, имитирующих околоземное пространство. Значения коэффициента поглощения солнечного излучения у экспонированных необработанных и обработанных поверхностей увеличились в видимой и инфракрасной областях, достигнув α≈0,79 в случае лицевой поверхности необработанного образца (образец №5), α≈0,82 в случае обратной поверхности необработанного образца (образец №6) и α≈0,82 в случае обратной поверхности обработанного ионным пучком образца (образец №1) после длительной экспозиции условиями, имитирующими околоземное пространство. Измерения теплоизлучательной способности показали незначимые изменения; теплоизлучательная способность оставалась порядка ε=0,80±0,02.
Кроме того, были определены спектры отражения солнечного излучения и значения коэффициента поглощения солнечного излучения у 4 обработанных ионным пучком FCC до и после испытания в условиях, имитирующих околоземное пространство. У всех испытанных FCC произошло сильное изменение отражательной способности в видимой части спектра, что качественно согласуется с эффектами потемнения, наблюдавшимися во время испытания. Эти термооптические характеристики собрали и представили в таблицах на Фиг. 17b и 17с. Можно сделать вывод о том, что разработанная обработка ионным пучком увеличивает поглощение солнечного излучения обработанными поверхностями FCC, однако она практически не оказывает влияния на конечные термооптические характеристики FCC после 15 лет пребывания в условиях околоземного пространства. Эффекты потемнения необработанных и обработанных ионным пучком поверхностей и изменения термооптических характеристик почти одинаково сильно выражены на обеих сторонах необработанных и обработанных ионным пучком FCC!
Подтверждение свойств рассеивания заряда посредством испытания на устойчивость к ESD
Факт, что поверхность является достаточно рассеивающей заряд, подтвердили в специальном испытании на устойчивость к ESD при наихудшей температуре, равной -145°С, которая имитирует релевантные заряжающие условия для наружных поверхностей на геостационарной орбите. В испытании на устойчивость к ESD испытали вторую серию образов, которые предварительно были подвергнуты одновременному облучению частицами и УФ-излучением, репрезентативному для условий на геостационарной орбите (образцы №51 и №52 из Фиг. 15).
Испытание на устойчивость к ESD провели при следующих условиях:
- Пучки электронов с энергией, равной 20 кэВ и 400 кэВ, рассеивали по образцу, диаметр которого был равен 20 см, так, чтобы энергия и угол падения частиц соответствовали распределению энергии и однородности плотности потока в космическом пространстве.
-2
9
-1
-2
-2
8
-1
-2
- Плотности потоков: 20 кэВ - 250 пА⋅см (≈1,56⋅10 с⋅см), 0-400 кэВ - 50 пА⋅см (≈3,12⋅10 с⋅см) и в 4 раза большие плотности потоков электронов с энергиями 20 кэВ и 0-400 кэВ (наихудшие условия среды согласно требованиям заказчика для наружных поверхностей телекоммуникационных спутников).
- Температура при испытании: комнатная температура (RT; от англ.: room temperature), -145°С.
-6
- Вакуум: 10 гПа.
Испытали две серии FCC: i) в начале срока службы, то есть после обработки, и ii) после испытания в условиях геостационарной орбиты. Обе серии образцов подвергли воздействию заряжающей среды на гладкую и шероховатую стороны FCC. Измеряли потенциал и его снижение. Обнаружение дугового разряда было предусмотрено в настройках установки.
Наихудший случай (-145°С, облучение, в 4 раза превышающее стандартное на геостационарной орбите) заряжающей среды испытали на FCC после обработки и FCC, состаренных в условиях, соответствующих условиям на геостационарной орбите. Не наблюдалось дугового разряда. Наивысший потенциал, который был обнаружен на образцах после обработки с воздействием на шероховатую сторону, был ниже 150 В, и поэтому он был гораздо ниже критического потенциала, например - равного 1000 В. После отключения источника электронов очень быстро происходило снижение потенциала. Это обусловлено быстрым сбросом заряда через заземляющий контакт. Кроме того, выполнили моноэнергетическую зарядку при низких энергиях электронов и -145°С и снова обнаружили такое же поведение. В данном случае испытание продемонстрировало, что даже если зарядка ограничена верхними слоями, очень быстро и эффективно происходит снижение потенциала через заземление поверхности (Фиг. 18).
Те же условия были применены к FCC, состаренным в условиях, соответствующих условиям на геостационарной орбите. В отличие от FCC, испытанных сразу после обработки, на этих образцах по существу не образовывался потенциал. Это можно объяснить более низким удельным сопротивлением поверхности, которое было получено после воздействия электронного и протонного излучения (см. таблицы на Фиг. 14а и 17d).
В противоположность этому, необработанные FCC (СЕ), подвергнутые такому же испытанию на устойчивость к ESD, продемонстрировали зарядку поверхности до напряжений, превышающих критические, с последующим электростатическим разрядом.
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
100 - кабель с плоскими проводниками (FCC)
101 - лицевая поверхность
102 - рифленая поверхность FCC 100 на лицевой поверхности 101
201 - обратная поверхность
202 - рифленая поверхность FCC 100 на обратной поверхности 201
300 - увеличенное SEM-изображение лицевой поверхности FCC 100, соответствующего предшествующему уровню техники
400 - увеличенное SEM-изображение обратной поверхности FCC 100, соответствующего предшествующему уровню техники
1301 - FCC
1302 - FCC
1303 - FCC
1401 - FCC
1402 - FCC
1403 - FCC
1404 - FCC
1510 - первая серия FCC, испытанных в условиях, имитирующих условия на геостационарной орбите
1520 - вторая серия FCC, испытанных в условиях, имитирующих условия на геостационарной орбите
1530 - не проходившие испытания контрольные образцы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. D. Fink, Fundamentals of ion-irradiated polymers, Elsevier, 2004
2. A.V. Kondyurin, M. Bilek, Ion beam treatment of polymers: application aspects from medicine to space, Elsevier, 2010
3. H. Dong, T. Bell, State-of-the-art overview: ion beam surface modification of polymers towards improving tribological properties, Surface and Coatings Technology, Volume 111, Issue 1,10 January 1999, Pages 29-40
4. V. Zaporojtchenko, J. Zekonyte, J. Erichsen, F. Faupel "Etching Rate and Structural Modification of Polymer Films During Low Energy Ion Irradiation", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В (NIMB) 208, 155 (2003)
5. Z. Iskanderova, J. Kleiman, V. Issoupov, F. Bussieres, "Carbosurf TM Surface Modification Technology for Charge Dissipative and Radio-Transparent GEO Durable Space Polymers", Proceedings of the 9-th International Conference "Protection of Materials and Structures from Space Environment (ICPMSE-9)", Ed. J. Kleiman, AIP Conference Proceedings, 2009, p. 588-599.
6. J. I. Kleiman, Z. Iskanderova, F. Bussieres, A. Grigorevskiy, R. Sodhi, Ion-beam Treatment for Enhancement of Durability and Surface Conductivity of Space Polymers: Results, Analysis, Mechanisms, Protection of Materials and Structures from the Space Environment, Eds. J. Kleiman, M. Tagawa, and Y. Kimoto, Springer, 2013, pp. 317-326.
7. DuPont Technical Information, PyraluxR LF Coverlay Flexible Composites
8. (http://www.livestrong.com/article/174049-what-is-pumice-composed-of/)
9. M. Baillie, J. Ming-Chung, "Method of Measuring Surface Resistivity Using Square Electrodes and Multiplying Surface Resistance Measurements by a Correction Factor", USA Patent 5.391.994, Feb. 21, 1995
10. J.F. Ziegler, TRIM-90, "Transport of Ions in Matter", International Business Machine Corp., 1990
11. V. Zaporojtchenko, J. Zekonyte, J. Erichsen, F. Faupel, "Etching Rate and Structural Modification of Polymer Films During Low Energy Ion Irradiation", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В (NIMB), 208, 155 (2003).
12. International Standard ISO 15856:2010(E): Space systems - space environment -simulation guidelines for radiation exposure of non-metallic materials
13. Smirnov I.A., Radiation-induced conductivity of polymers at long-time radiation exposure, PhD Theses, Russia, 2006)
14. ASTM E903 - Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres
15. ASTM E408-13 Standard Test Methods for Total Normal Emittance of Surfaces Using Inspection-Meter Techniques
16. Mott, N.F., Localized states in a pseudo-gap and near extremities of conduction and valence bands, Phil. Mag. 19: 835, (1969)
17. V.K.S. Shante, Variable-range hopping conduction in thin films, Physics Letters A, Volume 43, Issue 3, 12 March 1973, pp. 249-250
18. Shounak De, S. Niranajana, Mott conductivity in nanocluster carbon thin films, Optoelectronics and Advanced Materials - Rapid Communications, v. 3, 312, Dec. 2009, pp. 1365-1367.