[發明專利]碳納米管原子氧探測器及其制造方法

在審

• 申請號: 201811406448.8
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109307691A
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發明（設計）人: 劉宇明;沈自才;李蔓;劉向鵬;田東波
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種空間原子氧的碳納米管探測器，包括基底、碳納米管層、電極，其中碳納米管層設置在基底中間，碳納米管層的兩端各鍍上電極，通過測量兩電極之間的電阻變化來探測空間氧原子的注量。本發明也公開了一種該探測器的制造方法。本發明的薄膜電阻測量原子氧探測器結構簡單，且碳納米管膜厚度可以控制，具有長的使用壽命。

技術領域

本發明屬于空間環境探測技術領域，具體而言，本發明涉及一種碳納米管原子氧探測器以及該探測器的制造方法。

背景技術

在低地球軌道上(200～700km)，空間原子氧環境是危害航天器安全的主要環境因素之一。雖然原子氧的密度不是很大，一般在10⁹～10⁵cm^-3左右，但是由于原子氧的化學活性高，同時與軌道上的航天器相對運動速度大(7.8km/s左右)，因此增大了原子氧對航天器的撞擊能量(約5eV)和通量。原子氧一方面會與航天器表面材料發生化學反應，另一方面會濺射航天器表面材料，從而導致材料物理和化學性質發生變化，使功能性材料性能退化，威脅航天器的壽命與可靠性。

評價航天器表面材料在原子氧環境下的性能退化情況，首先必須了解原子氧環境，分析軌道原子氧通量。空間原子氧環境探測試驗是原子氧效應研究中最重要的工作之一，美國航空航天局原子氧數據庫和環境模型主要來源于在軌探測試驗結果，這些探測數據為低地球軌道航天器的原子氧環境防護設計提供了依據，也為原子氧地面模擬試驗提供了準則。

原子氧環境探測離不開探測儀器。目前原子氧探測的方法主要有質譜法、薄膜電阻測量方法、半導體材料吸附感知方法、化學熱探頭感知方法等。其中薄膜電阻測量方法由于工藝簡單，是較常用的一種探測原子氧的方法。該方法主要通過薄膜電阻變化來分析原子氧的通量。首先選擇對原子氧敏感的導電材料，并將其沉積在絕緣基底上形成一定厚度的薄膜。當傳感器入軌后，薄膜暴露在原子氧環境中，并受到原子氧的刻蝕作用，因此薄膜的厚度不斷變薄，導致電阻值變化。通過測量薄膜的電阻變化量，并通過事先標定的電阻變化量與原子氧通量間的關系，就可以計算出采用周期內原子氧通量平均值。目前，電阻法用到的薄膜材料主要是銀和鋨兩種。銀的原子氧反應率最高，時間分辨率高，采樣周期短，實時響應性好，但是銀與原子氧反應形成固態疏松的氧化銀，阻擋了原子氧與下邊銀膜的繼續反應，因此工作時間短。鋨是單質金屬，環境穩定性好，原子氧反應生成揮發的四氧化三鋨，其原子氧反應率是線性的，鋨的原子氧反應率低，適合長期暴露飛行試驗研究，但是鋨有一定的毒性，且鋨膜不易制備，特別是鋨膜較厚時容易起皮、皸裂，這也限制了鋨膜探測器工作的時間。

因此，研制一種容易制備且探測原子氧時安全，耐用的探測器是非常必要的。

發明內容

針對空間原子氧探測的需求，本發明提出了一種基于電阻測量方法的原子氧探測器，即利用碳納米管替代銀或者鋨等金屬類薄膜。本發明利用碳納米管的導電性，以及在原子氧作用下生成氣體的性質，通過測量碳納米管膜的電阻，推算出碳納米管膜厚度減少量，從而推算出原子氧的注量。

本發明采用了如下的技術方案：

本發明的空間原子氧的碳納米管探測器，包括基底、碳納米管層、電極，其中碳納米管層設置在基底中間，碳納米管層的兩端各鍍上電極，通過測量兩電極之間的電阻變化來探測空間氧原子的注量。

其中，所述基底為玻璃基底或陶瓷基底。

其中，碳納米管層為碳納米管紙。

其中，碳納米管層是用導電銀漿料將碳納米管紙粘貼基底上形成的，基底大小要大于碳納米管紙條大小。

其中，電極為金、鉑金、銀、銅金屬材料電極。

進一步地，碳納米管紙的尺寸為寬度從1mm至10cm，長度1cm至10cm的長條，碳納米管紙厚度從100nm-1mm。

進一步地，碳納米管膜的厚度為100nm-300nm。