用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构，包括形成在钛/钛合金表面的类蜂窝状纳米管阵列，以及形成于最外层的硬质封装膜。该类蜂窝状纳米管阵列为二氧化钛纳米管阵列，硬质封装膜为二氧化硅膜。纳米管阵列中纳米管的长度为100～200nm，管径为80～150nm。该用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构在钛/钛合金表面形成类蜂窝状夹层保护膜，继而在发生微小空间碎片撞击时能形成多墙面结构分散冲击压力，提高空间微小碎片撞击防护效果。

Surface structure of titanium / titanium alloy used to protect small space debris from impact

The utility model discloses a titanium / titanium alloy surface structure for the protection of small space debris, including honeycomb like nanotube arrays formed on the surface of titanium / titanium alloy, and hard packaging film formed at the outer layer. The honeycomb nanotube arrays are titanium dioxide nanotube arrays and hard packaging films are silica films. The length of nanotubes in the nanotube arrays is 100 ~ 200nm and the diameter is 80 to 150nm. The titanium / titanium alloy surface structure, which is used to protect the small space debris, forms a honeycomb sandwich protective film on the surface of titanium / titanium alloy, and then can form the multi wall structure dispersed impact pressure in the impact of small space debris, and improve the impact of small space debris to impact protection.

【技术实现步骤摘要】
用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构
本专利技术涉及航天器材料表面防护领域，具体为一种用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构。
技术介绍
随着人类太空活动日益频繁，空间碎片数量逐年大幅增加，对在轨航天器的威胁逐渐增加。在人类开展航天活动的空间内，特别在低地球轨道(LEO)空间中，空间碎片已被认为是影响航天任务的一个现实问题。空间碎片探测活动表明，空间碎片随尺寸的减少，数量成倍增加。由空间碎片模式MASTER-2005计算可知，绝大多数碎片来自直径1-1000μm之间的微小碎片，而小于1μm的碎片更是难以数计。相对于大碎片而言，空间微小碎片单次撞击虽不足以产生严重后果，但由于其数量巨大，长期累积撞击所产生的影响不可忽视。因此，空间微小碎片的累积撞击会对航天器材料和系统产生严重影响，已成为制约长寿命、高可靠性航天器发展的重要空间环境因素，必须开展空间微小碎片防护。空间微小碎片撞击航天器表面可引起表面穿孔、等离子放电、碰撞污染、光学“砂蚀”效应等损伤，使航天器表面热控、光学等性能退化或结构受损。微小碎片防护方法主要着眼于结构和材料两方面。防护结构通常采用蜂窝结构、多孔泡沫结构，Wipple防护屏；防护材料包括高强铝、金属纤维板、碳/聚酰亚胺、Nextel高强度陶瓷纤维、石英玻璃等强度高、重量轻、性能稳定的材料。然而，除改变航天器自身结构和材料外，对航天器材料表面改性提高抵抗环境影响也是重要途径之一。其中薄膜技术在空间环境表面防护中起到了相当大的作用，例如常见的SiO2、Al2O3、TiO2及类金刚石等无机硬质薄膜，有机硅氧烷等有柔性薄膜，以及有机/无机复合薄膜等。目前对于表面防护膜层主要集中于材质属性的研究，对于进一步细微结构化设计，还鲜有报道。钛及其合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点，是重要的航空航天飞行器材料之一。但是其不可避免的要遭受微小空间碎片的撞击，在钛/钛合金结构件上产生不同程度的损伤，从而引起微观结构和力学性能的改变。本技术对钛/钛合金进行表面改性，设计类蜂窝状夹层保护膜结构形成多墙面结构分散碎片的冲击压力，提高空间微小碎片撞击的防护能力。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本技术提供了一种用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构，其在钛/钛合金表面形成类蜂窝状夹层保护膜，继而在发生微小空间碎片撞击时能形成多墙面结构分散冲击压力，提高空间微小碎片撞击防护效果。为此，本技术的技术方案如下：一种用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构，包括形成在钛/钛合金表面的类蜂窝状纳米管阵列，以及形成于最外层的硬质封装膜。一种用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构，包括形成在钛/钛合金表面的类蜂窝状二氧化钛纳米管阵列，以及形成于最外层的二氧化硅膜。进一步，所述纳米管阵列中纳米管的长度为100～200nm，管径为80～150nm。进一步，所述硬质封装膜为3～6层二氧化硅膜；更进一步，每层二氧化硅膜的厚度为60～120nm。该技术方案中提供的钛/钛合金表面结构是用如下步骤制备而成的：首先将抛光清洁后的基底试样，采用阳极氧化方法制备得到类蜂窝状TiO2纳米管阵列；然后采用溶胶凝胶工艺，将表面具有类蜂窝状TiO2纳米管阵列的钛片浸入SiO2溶胶中提拉镀膜，镀膜后将样品热处理，可得到具有类蜂窝状TiO2纳米管阵列夹层的复合防护涂层。本专利技术中类蜂窝状TiO2纳米管阵列夹层复合薄膜的制作过程简单快速，原材料费用低，是一种高效经济的合成方法。与现有薄膜结构相比，该钛/钛合金表面结构提供的类蜂窝夹层防护膜结构，具有以下优势：(1)该钛/钛合金表面结构的制备对设备要求低，原材料价格低廉，且操作过程简单易行；(2)该钛/钛合金表面结构降低了表面接触刚度，提高了外力作用下的接触变形能力；(3)类蜂窝状TiO2纳米管阵列夹层的复合防护膜有效的缓解和吸收了高速撞击产生的能量，使表面撞击坑变浅损伤程度降低，提高了对空间微小碎片的高速撞击防护的作用。附图说明图1a为本技术提供的钛/钛合金表面结构示意图；图1b为本技术提供的钛/钛合金表面结构的立体结构示意图；图2a为实施例1中没有硬质封装膜的钛/钛合金表面结构的扫描电镜图(×50,000)；图2b为实施例1中没有硬质封装膜的钛/钛合金表面结构的扫描电镜图(×100,000)；图3a为实施例1中的钛/钛合金表面结构的扫描电镜图(×200,000)；图3b为实施例1中的钛/钛合金表面结构的3D显微形貌图；图4a为实施例1中空间微小碎片撞击后钛/钛合金表面结构的扫描电镜图；图4b为空间微小碎片撞击后无涂层钛基片的扫描电镜图；图5a为实施例1中的钛/钛合金表面结构的纳米压痕测定载荷-深度曲线图；图5b为实施例1中钛基片的纳米压痕测定载荷-深度曲线图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本技术的技术方案进行详细描述。实施例1一种用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构，包括形成在钛/钛合金表面1的类蜂窝状二氧化钛纳米管阵列2，以及形成于最外层的二氧化硅膜3；其中，二氧化钛纳米管阵列2中纳米管的长度为100nm，管径为122.2nm；形成的二氧化硅膜3有3层，每层二氧化硅膜的厚度为60nm。本实施例提供的用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构是采用以下方法制备而成的：将钛片用600#、1000#、1500#金相砂纸按顺序打磨，得到清洁干燥的Ti靶材；将靶材置入氟化铵0.45g、去离子水1mL的100mL的氟化铵的乙二醇电解液中进行阳极氧化，直流电源电压为60V，时间为2h，得到类蜂窝状TiO2纳米管阵列；将表面具有类蜂窝状TiO2纳米管阵列的钛片浸入成分为无水乙醇210mL，正硅酸乙酯210mL，无水甲酸45mL，盐酸9mL，水16.2mL，二甲基甲酰胺4-5滴的SiO2溶胶中提拉镀膜，提拉次数为3次，提拉间隔为10min，浸渍时间为10s；镀膜后将样品热处理，烧结温度为500℃，升温速度为10℃/min，保温时间为1h，随炉冷却，可得到具有类蜂窝状TiO2纳米管阵列夹层的复合防护涂层。由图2a和2b中可以看出，TiO2纳米管的圆度较好，且TiO2纳米管的孔径大小均匀，整体类似蜂窝状。TiO2纳米管的孔径平均为122.2nm，其管壁厚约为10nm。图3a和3b分别显示了钛/钛合金表面结构的扫描电镜图和3D显微形貌图。由扫描电镜结果可以看出，钛/钛合金表面结构表面并不平整，存在高低起伏的条纹状分布。3D显微形貌图也可以进一步看出所制备的表板SiO2薄膜存在高低起伏，这主要是由于TiO2纳米管阵列的夹层结构所决定。图4a和4b分别显示了空间微小碎片撞击后实施例1提供的钛/钛合金表面结构以及无涂层钛基片的扫描电镜图。由图中可以看出，无涂层钛基片撞击后，撞击损伤坑较为集中，撞击所引起表面(除去个别突出点外)最大坑深较大。钛/钛合金表面结构撞击后，所形成的损伤区域范围较大，呈现由中心向四周放射性溅射的特征，且撞击所引起表面(除去个别突出点外)最大坑深较小。这说明本实施例得到的钛/钛合金表面结构提高了对微小碎片撞击的抵抗能力，使撞击所形成的损伤程度降低。图5a和5b分别显示了本实施例提供的钛/钛合金表面结构、无涂层钛基片的纳米压痕测定载荷-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构，其特征在于：包括形成在钛/钛合金表面(1)的类蜂窝状纳米管阵列(2)，以及形成于最外层的硬质封装膜(3)。

【技术特征摘要】
1.一种用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构，其特征在于：包括形成在钛/钛合金表面(1)的类蜂窝状纳米管阵列(2)，以及形成于最外层的硬质封装膜(3)。2.如权利要求1所述用于防护微小空间碎片撞击的钛/钛合金表面结构，其特征在于：所述纳米管阵列(2)中纳米管的长度为100～200nm，管径为80～150nm。3.如权利要求1所述用于防护微小空间碎...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏强，张婷婷，杨桂民，蒋东华，张丹丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：天津,12