本發(fā)明涉及一種真空環(huán)境下材料與月塵之間粘附力的測(cè)試方法，屬于材料性能測(cè)試領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

人類(lèi)探月具有非常重大的意義，美國(guó)、日本、歐空局、俄羅斯和印度等國(guó)家紛紛制定了探月計(jì)劃，我國(guó)也正在實(shí)施探月工程，月球車(chē)是探月工程的重要組成部分，是在月球探測(cè)起步階段研究月球不可缺少的重要研究媒介，也是宇航員在月球登陸的先行者。但月球車(chē)在月面的著陸和工作必須面對(duì)月球的特殊環(huán)境所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，其中之一就是月塵的存在。月塵是月球表面是厚厚一層由于長(zhǎng)期的環(huán)境作用而形成的微小粒子，平均直徑30～150μm。在月球低重力和近真空的條件下，這些細(xì)小微粒很容易被自然或者人為擾動(dòng)而懸浮在空中。由于月球的低重力和近乎真空的條件，細(xì)小的月塵很容易被自然或人為活動(dòng)擾動(dòng)而懸浮在空中，月塵顆粒有較高的比表面積和絕緣性，很容易粘著和堆積到各種接觸到的裝置上，將導(dǎo)致機(jī)構(gòu)密封失效、堵塞、材料磨損和熱控制失效等諸多問(wèn)題。根據(jù)阿波羅飛船的飛行記錄，表明月球表面的月壤和月塵會(huì)嚴(yán)重影響月面探測(cè)器熱控系統(tǒng)的使用功能，在輻射器等表面附著的一層絕緣的月塵會(huì)影響正常的熱量交換。為了確保月球巡視器能可靠地工作，開(kāi)展對(duì)月面外露部件表面防塵膜層相關(guān)技術(shù)的研究勢(shì)在必行。細(xì)小的月塵具有較高的比表面積和絕緣性，很容易粘著堆積到各種接觸到的裝置上，給探月帶來(lái)諸多困難。掌握月塵的吸解附原理，實(shí)現(xiàn)月球車(chē)裸露在外結(jié)構(gòu)件表面的防月塵粘附是探月工程首先要解決的重大科學(xué)課題。研究月塵與材料直接的粘附力是實(shí)現(xiàn)防月塵粘附膜層制備的關(guān)鍵，目前，國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到測(cè)試月塵與材料之間粘附力的方法報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種真空環(huán)境下材料與月塵之間粘附力的測(cè)試方法。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種真空環(huán)境下材料與月塵之間粘附力的測(cè)試方法，其包括如下步驟：

月塵的準(zhǔn)備；

月塵探針的制備；

材料試樣的準(zhǔn)備；

粘附力的測(cè)試。

作為優(yōu)選方案，所述月塵的準(zhǔn)備具體包括如下操作：

模擬月塵于培養(yǎng)皿中均勻攤開(kāi)，并在烘箱中烘干，保存?zhèn)溆谩?/p>

作為優(yōu)選方案，所述月塵探針的制備具體包括如下操作：

S1：將已知彈性系數(shù)的原子力顯微鏡探針安裝在探針夾上，然后把所述探針夾固定在幾個(gè)XYZR軸微調(diào)平臺(tái)上；

S2：將所測(cè)的月塵顆粒鋪散在一塊玻璃片上，使月塵各顆粒之間分離不接觸；

S3：另取一塊玻璃片，將粘合劑蘸在玻璃片空白處；

S4：將S3中玻璃片置于另一個(gè)XYZR軸微調(diào)平臺(tái)上，并使膠水微滴位于探針微懸臂的正下方位置，在原子力顯微鏡下觀察懸臂與膠滴的相對(duì)高度，調(diào)節(jié)Z軸使懸臂與膠滴靠近，直至探針懸臂的尖端底面沾到膠滴；

S5：移開(kāi)鋪膠滴的玻璃片，換上鋪散月塵的玻璃片，原子力顯微鏡下觀察并選取月塵顆粒，調(diào)節(jié)懸臂與月塵顆粒相對(duì)高度，利用膠滴的粘性在懸臂尖端粘上單顆月塵，探針靜置使膠水固化成型后，進(jìn)行固化，得到所述月塵探針。

作為優(yōu)選方案，所述材料試樣的準(zhǔn)備具體包括如下操作：

將材料試樣先用乙醇超聲清洗30min，再去離子水超聲清洗30min，烘干，待用。

作為優(yōu)選方案，所述烘干的溫度為120℃。

作為優(yōu)選方案，所述粘附力的測(cè)試具體包括如下步驟：

啟動(dòng)原子力顯微鏡，抽真空至5.0×10^-4Pa以下，將原料試樣置于樣品臺(tái)上，并將月塵探針安裝在探針夾上，安裝好探針夾、激光頭裝置；

測(cè)定粘附力曲線；

測(cè)定粘附力曲線數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差作為測(cè)試結(jié)果，即得月塵與材料表面之間的粘附力。

本發(fā)明的原理在于：利用原子力顯微鏡測(cè)得月塵顆粒與表面之間的作用力。在掃描過(guò)程中，微探針懸臂的法向形變反映引力或斥力，橫向形變大小可以反應(yīng)摩擦力的大小。測(cè)試可得到反映顆粒與表面間作用力與基面位移Z的關(guān)系曲線。當(dāng)顆粒與材料表面距離較遠(yuǎn)時(shí)，作用力F為0；隨著二者逐漸靠近，其吸引力會(huì)增大(F負(fù)值減小)，當(dāng)靠近到一定程度時(shí)，F(xiàn)關(guān)于顆粒-材料表面間距的梯度等于彈性系數(shù)k時(shí)，顆粒突然跳至與基面接觸狀態(tài)(稱為突然接觸)；隨后，基面與針尖一同向微懸臂固定位置的方向移動(dòng)，懸臂彎曲偏移量減小，測(cè)得的吸引力也在減小，再次到達(dá)零力線；基面繼續(xù)往上移動(dòng)，微懸臂將向上彎曲，F(xiàn)值變正，針尖會(huì)嵌入基面內(nèi)部。當(dāng)基面撤離時(shí)，F(xiàn)值逐漸減小，二者會(huì)保持接觸直至F達(dá)到某一臨界值時(shí)突然跳離(稱為突然跳離F₂<k_X2)，此時(shí)的F即為粘附力Fadh。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、可以進(jìn)一步掌握月塵的吸解附原理，實(shí)現(xiàn)月球車(chē)裸露在外結(jié)構(gòu)件表面的防月塵粘附；

2、為防月塵粘附膜層的制備提供了重要的理論依據(jù)。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為顆粒-表面作用力與基面位移曲線；

圖2為40μm粒徑的單粒月塵在不同溫度下與鋁合金陽(yáng)極氧化膜層的粘附力。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明中所用的模擬月塵由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所制備。

本發(fā)明提供的一種真空環(huán)境下材料與月塵之間粘附力的測(cè)試方法，具體包括如下步驟：

一、模擬月塵的準(zhǔn)備：將模擬月塵于培養(yǎng)皿中均勻攤開(kāi)，并在烘箱中烘干，保存?zhèn)溆茫?/p>

二、模擬月塵探針的制備：S1：將已知彈性系數(shù)的原子力顯微鏡探針安裝在探針夾上，然后把所述探針夾固定在幾個(gè)XYZR軸微調(diào)平臺(tái)中較高的一個(gè)上，調(diào)整所述原子力顯微鏡至合適的放大倍數(shù)；

S2：將所測(cè)的模擬月塵顆粒鋪散在一塊玻璃片上，使模擬月塵各顆粒之間分離不接觸；

S3：另取一塊玻璃片，將粘合劑按1:1比例調(diào)勻，取盡量小的膠滴蘸在玻璃片空白處；

S4：將S3中玻璃片置于另一個(gè)XYZR軸微調(diào)平臺(tái)上，并使膠水微滴位于探針微懸臂的正下方位置，在原子力顯微鏡下觀察懸臂與膠滴的相對(duì)高度，調(diào)節(jié)Z軸使懸臂與膠滴靠近，直至探針懸臂的尖端底面沾到膠滴；

S5：移開(kāi)鋪膠滴的玻璃片，換上鋪散月塵的玻璃片，原子力顯微鏡下觀察并選取合適的月塵顆粒，調(diào)節(jié)懸臂與月塵顆粒相對(duì)高度，利用膠滴的粘性在懸臂尖端粘上單顆月塵，探針靜置使膠水固化成型后，進(jìn)行固化，得到所述月塵探針。

三、材料試樣的準(zhǔn)備：將材料試樣先用乙醇超聲清洗30min，再去離子水超聲清洗30min，120℃下烘干，待用。

四、粘附力的測(cè)試：?jiǎn)?dòng)原子力顯微鏡，抽真空至5.0×10^-4Pa以下，將原料試樣置于樣品臺(tái)上，并將模擬月塵探針安裝在探針夾上，安裝好探針夾、激光頭等裝置；

測(cè)定粘附力曲線；

選擇不同的位置測(cè)定粘附力曲線數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差作為測(cè)試結(jié)果，即得月塵與材料表面之間的粘附力。

本發(fā)明的原理在于：如圖1所示，利用原子力顯微鏡測(cè)得模擬月塵顆粒與表面之間的作用力。在掃描過(guò)程中，微探針懸臂的法向形變反映引力或斥力，橫向形變大小可以反應(yīng)摩擦力的大小。測(cè)試可得到反映顆粒與表面間作用力與基面位移Z的關(guān)系曲線。當(dāng)顆粒與材料表面距離較遠(yuǎn)時(shí)，作用力F為0；隨著二者逐漸靠近，其吸引力會(huì)增大(F負(fù)值減小)，當(dāng)靠近到一定程度時(shí)，F(xiàn)關(guān)于顆粒-材料表面間距的梯度等于彈性系數(shù)k時(shí)，顆粒突然跳至與基面接觸狀態(tài)(稱為突然接觸)；隨后，基面與針尖一同向微懸臂固定位置的方向移動(dòng)，懸臂彎曲偏移量減小，測(cè)得的吸引力也在減小，再次到達(dá)零力線；基面繼續(xù)往上移動(dòng)，微懸臂將向上彎曲，F(xiàn)值變正，針尖會(huì)嵌入基面內(nèi)部。當(dāng)基面撤離時(shí)，F(xiàn)值逐漸減小，二者會(huì)保持接觸直至F達(dá)到某一臨界值時(shí)突然跳離(稱為突然跳離F₂<k_X2)，此時(shí)的F即為粘附力Fadh。

實(shí)施例1

利用前述方法所測(cè)得的在不同溫度下，模擬月塵與鋁合金陽(yáng)極氧化膜層之間的粘附力，如圖2所示，在23℃，1atm下，其粘附力為5nN，0℃～120℃的真空環(huán)境下，粘附力為7.5nN，-40℃真空環(huán)境下，粘附力為13nN，-80℃真空環(huán)境下，粘附力為20nN，-120℃真空環(huán)境下，粘附力為27nN。

綜上所述，本發(fā)明可以進(jìn)一步掌握月塵的吸解附原理，實(shí)現(xiàn)月球車(chē)裸露在外結(jié)構(gòu)件表面的防月塵粘附；為防月塵粘附膜層的制備提供了重要的理論依據(jù)。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。