基于碳纳米管透明导电膜的航天器表面充电防护试验研究

李衍存，向宏文，张志平，秦珊珊，蔡震波

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

高轨卫星在轨运行过程中会遭遇热等离子体，极易在卫星表面形成充放电效应，影响卫星在轨可靠安全运行[1]。为控制高轨卫星的表面充放电效应，NASA 和ESA 均要求卫星表面热控材料的外表面涂覆一层导电的氧化铟锡（indium-tin-oxide,ITO）[2-3]，并将ITO与卫星结构地连接，以控制卫星表面不同部位的相对电位差，从而降低发生表面放电的风险。

一些卫星表面热控材料是柔性的，例如Kapton[2]。柔性热控材料在安装过程中会被折叠，可能导致附着在热控材料上的ITO膜破裂[4]，使ITO膜电阻增大，继而导致卫星表面电位升高，甚至超过安全阈值。

近年来，随着材料科学的进展涌现出许多新型的透明导电薄膜材料，其中碳纳米管膜因其柔性可折叠的特性，受到广泛关注[5-6]，并且已经被研究应用于航天器上作为外表面热控材料[7-9]。Watson[10]从电阻率、光学特性、电荷耗散和坚韧性等方面研究了采用碳纳米管透明导电膜代替ITO膜作为空间静电耗散材料的可行性，结果表明：碳纳米管透明导电膜的透过率为53%～87%，吸收率为0.02～0.35，发射率为0.52～0.67；而卫星常用的ITO膜的透过率为82%～86%[11]，吸收率为0.06～0.38[12]，发射率为0.65～0.80[12]，可见碳纳米管膜和ITO膜的光学特性接近。Watson 还定性验证了碳纳米管膜的可折叠性，并采用静电充电方式证实了碳纳米管膜不会发生电荷堆积；但未给出碳纳米管膜电阻与折叠次数间的定量关系数据，也未给出碳纳米管膜在空间低能电子辐照下的充电结果。

本文采用试验手段，定量考查碳纳米管透明导电膜经过不同折叠次数后的电阻变化，同时采用keV 能量级的电子对碳纳米管膜进行辐照充电试验，并将碳纳米管透明导电膜的特性与ITO膜的特性进行对比。

1 试验样品与方法

1.1 试验样品

碳纳米管膜样品采用喷涂法生产，厚度为25 nm。作为对比用的ITO膜采用磁控溅射技术生产，厚度为20 nm。

1.2 试验方法

在室温（25℃±5℃）条件下分别进行ITO膜和碳纳米管膜的体电阻率测试、折叠后电阻测试以及低能电子充电试验。在温度20～30℃的变化过程中，文献[13]给出的ITO膜电阻相对变化低于2.5%，文献[14]给出的碳纳米管膜电阻相对变化低于2.7%；且2种膜的电阻变化均远低于折叠后的电阻变化数据，也低于电子束流的不均匀度，因此可不考虑室温条件下温度对本文试验结果的影响。

1）体电阻率测试

将ITO膜、碳纳米管膜裁剪为6.5 cm×6.5 cm 的方形样品，按照ASTM D257[15]标准采用美国吉时利公司生产的Keithley 6517B静电计和Keithley 8009电阻率测试仪组成的系统测试材料的体电阻率。

2）膜折叠后电阻测试

将ITO膜和碳纳米管膜均裁剪为2 cm×2 cm和4 cm×4 cm 共2 种尺寸各3 个正方形样品（如图1所示），然后按照可对样品造成最大破坏的弯折180°的方式进行折叠（弯折后的样品如图2所示）。

图1 ITO膜和碳纳米管膜试验样品Fig.1 Test samplesof ITOfilm and carbon nanotubefilm

图2 折叠后贴导电铜箔的样品Fig.2 Folded samples with conductivecopper foil

导电膜实际应用过程中一般采用人工方式处理，很难定量确定对膜所施加力的大小，因此从破坏导电膜层的角度进行折叠操作，且操作过程中须戴手套，避免手指污物对试验结果造成影响。弯折操作会破坏折痕处的导电膜，造成该处电阻增大。由于折叠状态的导电膜不适合采用Keithley 8009进行电阻率测试，故对样品2条边之间的电阻进行测试，对于正方形样品，该方法可近似表征样品的表面电阻率参数，具体方法为：在导电膜样品两端平行粘上宽0.3 mm 的导电铜箔，用Keithley 6517B的2个鳄鱼夹夹住这2条导电铜箔，测量样品的电阻以获得折叠对膜电阻的影响，参见图2。

3）低能电子充电试验

在真空罐中对ITO膜和碳纳米管膜采用低能电子进行充电试验。按照NASA-HDBK-4002A[2]给出的GEO 90%最恶劣热等离子体单麦克斯韦环境模型，热等离子体中电子的典型能量为12 keV，密度1.12 cm-3，充电电流密度约0.33 nA/cm2，ESA推荐的最大充电电流考核值[3]为10 nA/cm2。基于以上因素，本文试验将电子能量设置为12 keV，电子束流范围为0.3～11.3 nA/cm2，束流不均匀度小于10%。试验配置如图3所示：样品尺寸均为11 cm×3 cm，导电膜面向电子源，接受电子束流照射，模拟在轨受到热等离子体中电子辐照的状态；背面绝缘基底通过普通双面胶固定在导电样品台上，样品台与地连接，样品3 cm 的一条边通过导电铜箔与样品台连接，以确保导电膜接地；样品台上有法拉第杯，用于测量电子束流，如图3(a)所示；样品台安置在真空罐中，放置样品的一面正对低能电子源，如图3(b)所示。样品被低能电子照射会产生充电电位，采用TREK-341B非接触式探头，测量样品上与接地点距离最远位置处的电位，参见图3(a)。

图3 导电膜的充电试验配置Fig.3 Conductive film charging test configuration

2 实验结果

2.1 体电阻率测试结果

碳纳米管膜和ITO膜的体电阻率测试结果见表1，可看到二者体电阻率接近。

表1 体电阻率测试结果Table 1 Volume resistivity test results

2.2 膜折叠前/后电阻测试结果

图4给出了经过不同折叠次数后碳纳米管膜和ITO膜的电阻变化情况，其中每类样品均包含3个样品的平均值和标准偏差。

图4 折叠后样品电阻测试结果Fig.4 Sample resistance test results after folding

结果显示，折叠操作对ITO膜破坏严重：ITO膜2 cm×2 cm和4 cm×4 cm 样品的初始电阻分别为3.4 kΩ、2.7 kΩ；经过2次折叠后，电阻分别变为68.5 kΩ、19.5 kΩ，增大为初始值的7～20倍；经过10次折叠后，电阻分别变为2.4 MΩ、518.0 kΩ，增大为初始值的192～706倍；经过25次折叠后，电阻分别变为9.5 MΩ、3.0 MΩ，增大为初始值的1111～2794倍。

折叠操作对碳纳米管导电膜的破坏远低于对ITO膜的：碳纳米管导电膜2 cm×2 cm 和4 cm×4 cm样品的初始电阻分别为6.0 kΩ、4.1 kΩ；经过25次折叠后，电阻分别变为20.1 kΩ、11.9 kΩ，增大为初始值的3～4倍。

2.3 低能电子充电试验结果

充电试验时，电子束照射30 min 后对样品的充电电位进行测量，结果见表2，由于样品台尺寸的限制，分别对ITO膜和碳纳米管膜进行充电试验，因此2次试验的电子束流值略有差异。

表2 ITO膜和碳纳米管膜充电试验结果Table 2 Charging results of ITO film and carbon nanotube film

试验结果显示，2种材料的充电电位均在-1.0～0 V 左右，考虑到非接触式电位计TREK-341B的测量误差为±1 V，可认为这2种材料的充电电位接近0 V。同时认为，TREK-341B的测量误差也可能是导致碳纳米管膜充电电位测量值不规律的原因。

3 讨论

3.1 不同尺寸样品电阻折叠特性

由图4可以看到，2 cm×2 cm 样品的电阻在折叠前/后均大于4 cm×4 cm 样品的电阻。折叠前，前者的电阻比后者的电阻大19%～26%；折叠后，前者的电阻约为后者的电阻的2～5倍。

折叠前样品2片铜箔间的电阻R可采用公式R=r(W-2d)/(W∙t)计算，其中r为导电膜体电阻率，Ω·cm；W为样品宽度，cm；d为铜箔宽度，cm。2 cm×2 cm 样品和4 cm×4 cm 样品的铜箔宽度均为0.3 mm，因此，折叠前，2 cm×2 cm 样品的电阻应比4 cm×4 cm 样品的电阻大18%，与实际测量得到的19%～26%非常接近。

折叠后，2 cm×2 cm 样品的电阻也大于4 cm×4 cm 样品的电阻，这主要是由于操作方式带来的差异。为模拟人工实际操作时可能发生的最坏情况，采用手指挤压方式对样品进行折叠，如图5所示，手指宽度约为2 cm，因此操作1次即可实现对2 cm×2 cm 样品的折叠。而对4 cm×4 cm 样品则需要多次挤压才可实现折叠，样品部分位置可能折叠不到位，导电膜未被破坏，导致样品折叠后的电阻值低于2 cm×2 cm 样品折叠后的电阻值。

图5 样品折叠方式Fig.5 Samplefolding method

3.2 充电特性

试验时，ITO膜和碳纳米管膜在12 keV、0.3～11.3 nA/cm2电子束流照射下的充电电位均在测试仪器的测量误差范围内，接近0 V。

采用文献[16]中的电位分析方法对样品在电子束流照射下的充电电位进行理论分析，不过，文献[16]中分析的是材料的表面电阻率ρS，本文测量得到的是材料的体电阻率ρV，二者间的换算关系为ρS=ρV/t，其中t为膜厚度，cm。

采用表1电阻率测试结果和表2电子束流数据，根据文献[16]中的电位计算方法可得到ITO膜和碳纳米管膜的充电电位理论估计值，见表3。充电电位理论值均低于-1 V，与试验测量得到的接近0 V 的结果一致。由于碳纳米管膜和ITO膜的电阻率接近，二者充电电位的试验值和理论值亦均十分接近。

本试验中采用的TREK-341B是充电电位测量的常用设备。受限于其测量误差，目前试验得到的充电电位均接近0 V；为获得可观测的充电电位，应进一步提高样品的充电电位。根据文献[16]的理论，充电电位主要与材料样品长度、表面电阻率和充电电流3个因素相关，而样品长度受限于电子束流均匀照射面积和样品台尺寸，难以再增大；材料的表面电阻率是其固有参数。根据NASA-HDBK-4002A[2]给出的不同充电电流发生概率，充电电流越大、发生概率越低，空间产生0.7～0.8 nA/cm2充电电流的概率为每年0.1%；本次试验根据ESA 推荐的最大充电电流考核值[3]10 nA/cm2进行，而该充电电流的空间发生概率极低，且属超严酷考核的工程设计值，进一步增大电子束流已无法反映空间实际充电电流情况，且10 nA/cm2已接近试验设备的极限能力。因此，目前没有进一步增大电子束流的必要性和可行性。综上，虽然现有试验条件下难以获得2种样品充电电位可观测的结果，但目前充电电位接近0 V 的试验结果已对低于-1 V 的充电电位理论值进行了验证。

表3 导电膜充电试验值与理论估计值Table 3 Test results and estimated values of charging potential of conductive film

3.3 导电膜破坏对充电控制的影响

NASA-TP-2361中要求金属化介质材料的接地电阻不超过10 MΩ，以避免材料在空间中的充电电位超过500 V 并发生放电，影响电子元器件的正常工作。

本次试验中，ITO膜和碳纳米管膜经过25次折叠后的电阻分别增加为9.5 MΩ、20.1 kΩ。可以看到ITO膜的电阻已经十分接近NASA-TP-2361的控制要求，而碳纳米管膜的则还低至少2个数量级。

因此从充电控制的角度，地面折叠等操作对碳纳米管膜的影响远低于对ITO膜的，并且远低于标准中的控制要求。

4 结束语

本文研究了碳纳米管膜的电阻经过折叠后的变化，并采用低能电子辐照的手段获得了碳纳米管膜的充电特性，并与ITO膜进行比较发现：碳纳米管膜和ITO膜的体电阻率分别为0.12Ω·cm、0.15Ω·cm；2种材料在低能电子辐照下的充电电位接近，试验值和理论值均为0 V 左右。但是，碳纳米管膜的折叠特性优于ITO膜，经过25次折叠后，碳纳米管膜的电阻从初始4.1～6.0 kΩ变为11.9～20.1 kΩ，增大为初始值的2～3倍，并且远低于充电控制要求的10 MΩ；而ITO膜的电阻从初始2.7～3.4 kΩ变为3.0～9.5 MΩ，增大为初始值的1111～2794倍，已接近充电控制要求的10 MΩ。

综上所述，碳纳米管膜的体电阻率、充电特性与ITO膜接近，但经过折叠后的电阻变化远低于ITO膜的，故从卫星表面充电控制的角度考虑，碳纳米管膜的性能优于ITO膜。

从航天工程实际应用角度，还需进一步研究碳纳米管膜喷涂在聚酰亚胺基底材料上的可靠性，及其在紫外辐照、电离总剂量辐照等条件下的性能变化是否满足空间应用要求。