基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法技术

本申请公开了一种基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法，将石墨烯膜附着在聚酰亚胺背面，在石墨烯膜的两端设置电极；将所述聚酰亚胺基底暴露在原子氧环境中，当所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀后，石墨烯也会马上被剥蚀掉，位于所述石墨烯膜上的电路断路；因为石墨烯膜与原子氧的反应时间极短，因此测算所述石墨烯膜上的电路断路所需的时长，即可得到所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀的时间t；原子氧在t时间内的注量Ф＝d/k，聚酰亚胺基底的原子氧剥蚀率k和聚酰亚胺基底的厚度d已知，聚酰亚胺基底厚可以根据探测需要进行灵活设置，使得该探测方法适于不同寿命航天器原子氧探测任务的需求。

Detection method of space atomic oxygen flux based on graphene

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法
本专利技术一般涉及空间环境探测
，具体涉及一种基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法。
技术介绍
在低地球轨道上(200～700km)，空间原子氧环境是危害航天器安全的主要环境因素之一。虽然原子氧的密度不是很大，一般在105～109cm-3左右，但是由于原子氧的化学活性高，同时与轨道上的航天器相对运动速度大（7.8km／s左右），因此增大了原子氧对航天器的撞击能量（约5eV）和通量。原子氧一方面会溅射航天器表面材料，另一方面会与航天器表面材料发生化学反应，从而导致材料物理和化学性质发生变化，使功能性材料性能退化，威胁航天器的寿命与可靠性。评价航天器表面材料在原子氧环境下的性能退化情况，首先必须了解原子氧环境，空间原子氧环境探测试验是原子氧效应研究中最重要的工作之一，原子氧环境探测离不开探测仪。目前原子氧探测的方法主要有质谱法、薄膜电阻测量方法、半导体材料吸附感知方法、化学热探头感知方法等。其中薄膜电阻测量方法由于工艺简单，是较常用的一种探测原子氧的方法。该方法将薄膜暴露在原子氧环境中，并受到原子氧的刻蚀作用，因此薄膜的厚度不断变薄，导致电阻值变化，通过薄膜电阻变化来分析原子氧的通量。但是该方法因为现有薄膜材料与原子氧的反应的局限性，导致探测器工作时间较短。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法。为了克服现有技术的不足，本专利技术所提供的技术方案是：本专利技术提供一种基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法，其特殊之处在于，所述方法包括：将石墨烯膜附着在聚酰亚胺背面，在所述石墨烯膜的两端设置电极；将所述聚酰亚胺基底暴露在原子氧环境中，当所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀后，位于所述石墨烯膜上的电路断路；测算所述石墨烯膜上的电路断路所需的时长，得到所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀的时间t；原子氧在t时间内的注量Ф=d/k，其中k为聚酰亚胺基底的原子氧剥蚀率，d为所述聚酰亚胺基底的厚度。进一步地，所述石墨烯膜的厚度小于5nm。进一步地，所述聚酰亚胺基底的厚度为1μm-1000μm。进一步地，将单层或者多层的石墨烯膜附着在聚酰亚胺或其他有机聚合物背面包括：在生长了石墨烯膜的铜基底上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯；待所述聚甲基丙烯酸甲酯固化后将所述铜基底腐蚀掉；将所述石墨烯膜设有所述聚甲基丙烯酸甲酯的一面与所述聚酰亚胺基底的背面贴合，清洗掉所述聚甲基丙烯酸甲酯。在所述石墨烯膜上设置电极包括：将附有所述石墨烯膜的聚酰亚胺基底剪裁成长条状单元，在所述长条状单元的两端镀电极，或者将电极压紧于所述长条状单元的两端。进一步地，所述长条状单元的长为5cm，宽为2cm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法，将石墨烯膜附着在聚酰亚胺背面，在石墨烯膜的两端设置电极；将所述聚酰亚胺基底暴露在原子氧环境中，当所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀后，石墨烯也会马上被剥蚀掉，位于所述石墨烯膜上的电路断路；因为石墨烯膜与原子氧的反应时间极短，因此测算所述石墨烯膜上的电路断路所需的时长，即可得到所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀的时间t；原子氧在t时间内的注量Ф=d/k，聚酰亚胺基底的原子氧剥蚀率k和聚酰亚胺基底的厚度d已知，聚酰亚胺基底厚可以根据探测需要进行灵活设置，该方法消除了薄膜材料的限制，使得探测器工作时间较长。附图说明通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术实施例提供的基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的石墨烯膜、聚酰亚胺及电极的连接结构示意图。图中：1-聚酰亚胺基底，2-石墨烯膜，3-电极。具体实施方式下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与专利技术相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。如
技术介绍
中提到的，评价航天器表面材料在原子氧环境下的性能退化情况，首先必须了解原子氧环境，空间原子氧环境探测试验是原子氧效应研究中最重要的工作之一，原子氧环境探测离不开探测仪。目前原子氧探测的方法主要有质谱法、薄膜电阻测量方法、半导体材料吸附感知方法、化学热探头感知方法等。其中薄膜电阻测量方法由于工艺简单，是较常用的一种探测原子氧的方法。该方法将薄膜暴露在原子氧环境中，并受到原子氧的刻蚀作用，因此薄膜的厚度不断变薄，导致电阻值变化，通过薄膜电阻变化来分析原子氧的通量。但是该方法因为现有薄膜材料与原子氧的反应的局限性，导致探测器工作时间较短。因此需要延长探测器的工作时间，而如何消除薄膜材料与原子氧反应的局限性是改进的方向。本申请实施例提供一种基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法来有效解决上述问题。石墨烯是导电材料，聚酰亚胺是绝缘体。聚酰亚胺的原子氧反应率较高，石墨烯与原子氧的反应极快并且具有导电性，在原子氧照射下能够生成气态物质，石墨烯剥蚀的时间可以忽略不计。该方法的构思是：设计一个组合膜，将石墨烯膜粘贴在聚酰亚胺基底背面，聚酰亚胺基底暴露在原子氧环境中，在这个过程中持续测量石墨烯电流。当聚酰亚胺基底被完全剥蚀后，石墨烯也会马上被剥蚀掉，石墨烯膜的电流中断，获得聚酰亚胺基底被完全剥蚀的时间。由于聚酰亚胺原子氧剥蚀率是已知的，就可以得到该段时间内的原子氧的注量。参见图1，本实施例还提供一种基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法。在步骤110中，将石墨烯膜附着在聚酰亚胺背面，在所述石墨烯膜的两端设置电极；在步骤120中，将所述聚酰亚胺基底1暴露在原子氧环境中，当所述聚酰亚胺基底1被完全剥蚀后，位于所述石墨烯膜2上的电路断路；在步骤130中，测算所述石墨烯膜2上的电路断路所需的时长，得到所述聚酰亚胺基底1被完全剥蚀的时间t；在步骤140中，原子氧在t时间内的注量Ф=d/k，其中k为聚酰亚胺基底1的原子氧剥蚀率，d为所述聚酰亚胺基底1的厚度。当所述聚酰亚胺基底1被完全剥蚀后，石墨烯也会马上被剥蚀掉。因为石墨烯膜2与原子氧的反应时间极短，石墨烯膜2的剥蚀时间可以忽略不计。由于石墨烯是电导体，所以电极3加电压后有电流输出。位于所述石墨烯膜2上的电路断路，因此测算所述石墨烯膜2上的电路断路所需的时长，即可得到所述聚酰亚胺基底1被完全剥蚀的时间t。需要说明的是，聚酰亚胺基底1的原子氧剥蚀率k和聚酰亚胺基底1的厚度是已知的，聚酰亚胺基底1的原子氧剥蚀率k一般在3×10-24cm3/atom，聚酰亚胺基底1的厚度d可以根据探测需要进行灵活设置。一般1μm厚度聚酰亚胺可以探测的原子氧注量约为3.3×1019atom/cm2。通过选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法，其特征在于，所述方法包括：/n将石墨烯膜附着在聚酰亚胺背面，在所述石墨烯膜的两端设置电极；/n将所述聚酰亚胺基底暴露在原子氧环境中，当所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀后，位于所述石墨烯膜上的电路断路；/n测算所述石墨烯膜上的电路断路所需的时长，得到所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀的时间t；/n原子氧在t时间内的注量Ф=d/k，其中k为聚酰亚胺基底的原子氧剥蚀率，d为所述聚酰亚胺基底的厚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法，其特征在于，所述方法包括：
将石墨烯膜附着在聚酰亚胺背面，在所述石墨烯膜的两端设置电极；
将所述聚酰亚胺基底暴露在原子氧环境中，当所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀后，位于所述石墨烯膜上的电路断路；
测算所述石墨烯膜上的电路断路所需的时长，得到所述聚酰亚胺基底被完全剥蚀的时间t；
原子氧在t时间内的注量Ф=d/k，其中k为聚酰亚胺基底的原子氧剥蚀率，d为所述聚酰亚胺基底的厚度。


2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法，其特征在于，所述石墨烯膜的厚度小于5nm。


3.根据权利要求1或2所述的基于石墨烯的空间原子氧注量探测方法，其特征在于，所述聚酰亚胺基底的厚度为1μm-1000μm。


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【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓宁，刘宇明，李蔓，田东波，王志浩，沈自才，姜海富，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11