用于制造电荷耗散表面层的方法技术

本发明专利技术涉及一种在旨在用于太空和其它极端环境中的由介电聚合材料或基于聚合物的复合材料制成或组成的部件上制造电荷耗散表面层的方法，所述部件具有至少一个表面，特别是具有两个相对的表面，所述表面各自具有平面形状或三维形状。所述方法包括以下步骤：在真空环境中，通过离子轰击使所述部件的至少一个表面碳化，同时以动态方式更新表面，所述步骤利用了在稀有气体的气态线性大电流技术离子束源中形成的离子束以及在所述离子束气体掺混物中填加的预定量的含碳气体来轰击所述至少一个表面以便获得在电荷耗散范围内具有均一表面电阻率的经处理的碳化表面层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及在旨在用于太空中的由基于介电聚合物的材料制成或组成的部件上制造电荷耗散表面层的方法及此类部件。具体地，本专利技术涉及具有成型和/或带槽聚合物表面的介电聚合材料的表面处理、包埋有无机颗粒的表面的处理、或具有无机微粒或纤维填料的介电聚合物复合材料的处理的领域。基于聚合物的装置，如太空船或太阳能电池阵构件，例如在GEO空间中该电荷耗散作用和其它功能特性具有长期耐久性的扁平电缆导体(FCC)，或在GEO空间和其它极端环境中该电荷耗散作用具有长期耐久性的基于聚合物复合材料的材料和装置，需要电荷耗散表面特性。
技术介绍
聚合物的离子轰击被广泛用于电子装置和其它装置制造行业，主要是用于微电子装置中的光阻剥离；在聚合物中植入离子以形成光波导；进行等离子表面处理以增强沉积于聚合物上的金属的粘附作用和印刷性的改善；提高聚合物的显微硬度等。在许多情况下，介电聚合物的中等剂量或高剂量离子轰击由于在原子碰撞时发生能量转移而引起表面交联或链破坏，以及表面碳化。已发现，许多表面特性改变与由于在真空中进行聚合物表面的离子轰击和选择性溅射而引起组成、结构以及很常见的表面形态的变换相关。由于在真空中离子束溅射、气态原子迁移以及挥发性终产物的形成及其从聚合物表面释放(即，最终气态产物的表面耗尽)引起的部分表面减小，及最终地，表面碳含量增加(在被轰击的区域中)，以及同时发生的和随后发生的表面结构重建，称为“表面碳化”。通过用离子束处理聚合物，可实现在较宽的值范围和较宽的温度范围的条件下机械和光学或电学特性，例如表面硬度、耐磨性、抗氧化性及表面导电性的显著改变[1-5]。重要的是，已经在专门针对处理实验而合成的或在工业上制造的平面，或换句话说，平坦的聚合物膜上进行了通过离子束处理而提供的介电聚合物表面导电性或表面电荷耗散作用的所有研究。不仅仅是各种太空应用中的先进太空聚合物膜，而且还有基于聚合物的产品，例如在地球同步(geosynchronous，GEO)轨道中的太阳能电池阵上被用作面板之间的连接的扁平电缆导体(FCC)，都主要得益于在其两个外表面上提供电荷耗散作用，从而防止在辐射环境下，尤其是当今要用于长期太空任务时的电荷收集、电弧放电及相关损害。然而，制造用于此类应用的具有电荷耗散表面特性的产品可能存在困难。不同大小和形状的FCC是基于例如DuPont Pyralux LF1010制造的，该产品基本上由Pyralux LF1010覆铜层压板和相同类型的覆盖膜，即Kapton 100HN(1密耳)膜，通过专用的温度敏感性丙烯酸粘合剂与在加工阶段按压在其间的薄铜条接合在一起并在所得结构的外部以Cu箔条封闭电接触而组成[6]。因此，在FCC 100(图1和2)中，介电聚合物前膜和背膜不是一个平面的平坦表面，而是具有重复的形状，或者，换句话说，“带槽”的表面102、202，前表面101可以在图1中看出并且背表面201可以在图2中看出。由于离子束处理具有直线对传(line-of-site)性质，与溅射速率具有相当强的角度依赖性，故该表面起伏可影响任何离子束处理的均一性和有效性，使得离子束被所形成的沟槽壁遮蔽。实际FCC结构处理中的另一个关键差异是背表面的状况。与有光泽并且光滑的FCC前表面相比较，发现背表面很粗糙并且整个表面上由于制造FCC的特殊技术工艺而随机包埋有小的无机颗粒。FCC单元的表面主要是通过SEM/EDS方法(扫描电子显微镜/能量分散式x射线光谱法)进行表征。已使用前表面(图3a和图3b)与背表面(图4a)在不同放大水平下的SEM图像300、400结合通过EDS进行的元素组成研究来进行由少数FCC制造装置得到的FCC的前表面和背表面形态和组成的比较研究。FCC正面在Cu条顶部上的部分具有发光的平面表面(参见图1)。如通过SEM和EDS所分析，FCC前表面的平坦部分完全类似于Kapton HN表面。只能在高放大倍率下检测到的小夹杂物颗粒是磷酸钙(Ca3(PO4)2)颗粒。它们是Kapton HN制造工艺中必需的添加剂，用于减少由于静电相互作用引起的处理问题。在观测背表面时，高度显现的表面形态清晰可见，如图4a中所示，该图表示在高放大倍率下的“背面”表面。背表面看起来受到严重损坏，并且在图4a中可以清楚看到，在聚合物表面中存在大量微小、主要是亚微米大小的颗粒。这些颗粒的元素组成可以通过EDS进行评价。这些颗粒的详细元素组成通常对应于浮石颗粒的组成，而在制造工艺中，浮石颗粒的粉末在高压下是以水浆形式使用，以增强铜与FCC制造中所使用的专用丙烯酸粘合剂的粘附。(根据印度花岗岩[8]，浮石由以下氧化物构成：70％至77％的二氧化硅、11％至14％的氧化铝、3％至5％的氧化钾、3％至5％的苏打、1％至3％的氧化亚铁、1％至2％的氧化铁、0.5％至1％的氧化镁、不到0.38％的氧化钛，而且几乎所有这些元素都是通过EDS在背表面上发现的)。
技术实现思路
本专利技术一个目的是提供一种在由基于介电聚合物的材料制成或组成的部件上制造电荷耗散表面层以使该部件满足在GEO空间中使用的要求的方法。本专利技术另一目的是提供相应部件。这些目的是通过独立权利要求得到解决。优选实施方式陈述于从属权利要求中。根据本专利技术的第一方面，提供了一种在旨在用于太空或其它极端环境中的由基于介电聚合物的材料或复合材料制成或组成的部件上制造电荷耗散表面层的方法。该部件可以是任何产品，例如FCC或太阳能电池阵构件或膜状部件。该部件具有至少一个表面，特别是具有两个相对的表面，这些表面各自具有平面或三维形状。该至少一个表面可包括成型或带槽的表面，及表面包埋无机介电颗粒的粗糙表面，或具有无机介电填料的基于介电聚合物的复合材料。三维形状可以是成型或带槽的表面。该方法包括以下步骤：在真空环境中，通过离子轰击使所述部件的至少一个表面控制性碳化，同时以动态方式更新表面，这些步骤利用了在稀有气体的气态线性大电流(high-current)技术离子束源中形成的离子束以及在该离子束气体掺混物中同时添加的预定量的含碳气体来轰击该至少一个表面以便获得在电荷耗散范围内具有均一表面电阻率的经处理的碳化表面层。控制性碳化并且同时(即，不断地)更新(多个)表面能够实现部件(即，材料或产品)的电荷耗散表面耐久，并且能够在实验室环境中保持这些特性至少一年，该实验室环境限定确定保质期为处理后至少一年。此外，控制性碳化并更新基于聚合物或基于复合材料的材料的表面能够在不改变其机械和整体性质的情况下，获得电荷耗散特性。根据该方法的另一实施方式，离子束的能量可具有2.5至3keV的能量。根据另一实施方式，所述表面层可包含在室温下范围在每平方数十兆欧(MΩ/sq)的电荷耗散。根据另一实施方式，可使用乙炔作为含碳气体。根据另一实施方式，在所述轰击至少一个表面的期间，在真空环境中对所述部件的基于聚合物的材料进行脱气，随后加热到范围在50℃与75℃之间(特别是65℃)的温度，从而缩短处理时间并提高碳化质量。根据另一实施方式，控制性碳化并同时更新所述部件的基于聚合物或基于复合材料的材料的至少一个表面，能够通过仅使用惰性气体和已存在于该基于聚合物的表面中的成分获得电荷耗散特性。一个优势是不需要金属或金属杂质。根据另一实施方式，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在旨在用于太空或其它极端环境中的由基于介电聚合物的材料或复合材料制成或组成的部件上制造电荷耗散表面层的方法，所述部件具有至少一个表面，特别是具有两个相对的表面，所述表面各自具有平面形状或三维形状，所述方法包括以下步骤：‑在真空环境中，通过离子轰击使所述部件的至少一个表面碳化，同时更新表面，所述步骤利用了在稀有气体的气态线性大电流技术离子束源中形成的离子束以及在相同的离子束气体掺混物中不断添加的预定量的含碳气体来轰击所述至少一个表面以便获得在电荷耗散范围内具有均一表面电阻率的经处理的碳化表面层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.21 EP 13005467.91.一种在旨在用于太空或其它极端环境中的由基于介电聚合物的材料或复合材料制成或组成的部件上制造电荷耗散表面层的方法，所述部件具有至少一个表面，特别是具有两个相对的表面，所述表面各自具有平面形状或三维形状，所述方法包括以下步骤：-在真空环境中，通过离子轰击使所述部件的至少一个表面碳化，同时更新表面，所述步骤利用了在稀有气体的气态线性大电流技术离子束源中形成的离子束以及在相同的离子束气体掺混物中不断添加的预定量的含碳气体来轰击所述至少一个表面以便获得在电荷耗散范围内具有均一表面电阻率的经处理的碳化表面层。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述离子束具有2.5keV至3keV的能量。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述表面层包含在室温下范围在每平方数十兆欧的电荷耗散。4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中使用乙炔作为含碳气体。5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中在所述轰击所述至少一个表面的期间，在真空环境中对所述部件的基于聚合物的材料进行脱气，随后加热到范围在50℃与75℃之间，特别是65℃的温度，从而缩短处理时间并增加碳化质量。6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中通过控制性碳化并同时更新基于聚合物或基于复合材料的材料的所述至少一个表面，能够通过仅使用惰性气体和已存在于所述基于聚合物的表面中的成分获得电荷耗散特性。7.根据前述权利要求中的一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·诺迈尔，C·齐默曼，Z·伊斯坎德罗，J·克莱曼，
申请(专利权)人：空中客车DS有限责任公司，完整性测试实验室公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE