本發(fā)明屬于空間環(huán)境效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)涉及一種光學(xué)玻璃微米級(jí)空間碎片防護(hù)膜。

背景技術(shù)：

空間光學(xué)系統(tǒng)被稱為航天器的眼睛，是宇宙飛船和各種衛(wèi)星必不可少的零部件，主要起著偵查、探測(cè)和收集宇宙空間信息的作用，所以是航天器上重要的有效載荷。光學(xué)玻璃是空間光學(xué)系統(tǒng)重要的組成部分，主要用于航天器舷窗玻璃、反射或透射鏡片，太陽(yáng)能電池陣的防護(hù)蓋片等?？臻g碎片大約以10km/s的速度在低地球軌道運(yùn)行，構(gòu)成了一個(gè)極其龐大的空間環(huán)境，其存在對(duì)在軌航天器、衛(wèi)星等會(huì)造成很大的影響。美國(guó)航天局公布空間碎片數(shù)量巨大，不僅威脅在軌航天器自身安全，且大尺寸的碎片在飛行過(guò)程中也會(huì)相互撞擊產(chǎn)生數(shù)量更多、尺寸更小的微小碎片，進(jìn)而導(dǎo)致空間環(huán)境更加惡劣。目前對(duì)于1cm以下的碎片，尤其是微米級(jí)碎片只能采取被動(dòng)的防護(hù)措施，因此，該尺寸范圍碎片防護(hù)技術(shù)和方法是業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。提供一種光學(xué)玻璃微米級(jí)空間碎片防護(hù)膜具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)玻璃微米級(jí)空間碎片防護(hù)膜，可以用于航天器用光學(xué)玻璃表面微米級(jí)空間碎片的防護(hù)，為提高空間光學(xué)器件的微小碎片防御能力提供了有效手段。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:

光學(xué)玻璃微米級(jí)空間碎片防護(hù)膜，通過(guò)真空鍍膜方法制備于待防護(hù)的光學(xué)玻璃表面上，包括依次設(shè)置在光學(xué)玻璃表面上的彈簧結(jié)構(gòu)、底層薄膜和納米多層連續(xù)薄膜，彈簧結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在基底光學(xué)玻璃上，且成分為sio2或si3n4；彈簧結(jié)構(gòu)采用掠射角沉積技術(shù)獲得，用于緩沖微小碎片的撞擊能量；底層薄膜為整體的連續(xù)膜層，其成分為si或ti，si或ti膜層在氬氣氛圍下通過(guò)磁控濺射技術(shù)制備；納米多層膜，為整體連續(xù)膜層，其成分為dlc/al，由dlc膜和al膜多層交替制備而成，其中dlc為硬質(zhì)膜，al為增韌相，納米多層膜旨在獲得硬度和韌性具佳的薄膜，減小碎片撞擊導(dǎo)致薄膜裂紋的發(fā)生。

其中，彈簧結(jié)構(gòu)厚度0.5μm～1μm；優(yōu)選0.8μm～1μm；

其中，dlc膜為類金剛石薄膜，具有sp²和sp³電子軌道雜化的碳原子空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

進(jìn)一步地，dlc膜通過(guò)c2h2氛圍下射頻放電方式獲取，氣壓5×10^-2pa～5×10^-1pa，射頻功率800w～1000w，膜層厚度20nm～50nm。

其中，al膜在氬氣氛圍下通過(guò)磁控濺射技術(shù)制備，氣壓4×10^-1pa～1pa，薄膜厚度20nm～50nm。

進(jìn)一步地，dlc/al多層膜至少包括5個(gè)調(diào)制單元，即5層dlc膜，5層al膜；優(yōu)選8-10個(gè)調(diào)制單元，即8-10層dlc膜，8-10層al膜；

其中，彈簧結(jié)構(gòu)通過(guò)sio2或si3n4在氧氣或氮?dú)夥諊吕么趴貫R射技術(shù)制備，其中磁控濺射粒子束入射角82°～88°，氣壓4×10^-1pa～1pa。

進(jìn)一步地，彈簧結(jié)構(gòu)可見(jiàn)光波段的透過(guò)率大于90％。

底層薄膜用于提高彈簧結(jié)構(gòu)與其上部納米多層膜的結(jié)合力，磁控濺射技術(shù)制備中的氣壓4×10^-1pa～1pa，薄膜厚度0.2μm～0.3μm。

本發(fā)明所采用的光學(xué)玻璃表面鍍制微米級(jí)空間碎片防護(hù)膜樣品，經(jīng)速度6.52km/s的碎片(直徑0.5mm，厚度3μm)撞擊后，表面無(wú)明顯機(jī)械損傷，表面沉積物高度不大于6.650μm，400nm－800nm波段平均透過(guò)率不小于79.62％；而光學(xué)玻璃樣品在相同試驗(yàn)參數(shù)下表面出現(xiàn)大量徑向及環(huán)狀裂紋，表面沉積物高度為16.547μm，400nm－800nm波段平均透過(guò)率為60.50％，說(shuō)明防護(hù)膜具有較好的抗撞擊性能。該防護(hù)膜的使用為航天器光學(xué)玻璃微米級(jí)空間碎片防護(hù)提供了有力手段。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的光學(xué)玻璃微米級(jí)空間碎片防護(hù)膜結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1、納米多層連續(xù)薄膜；2、底層薄膜；3、彈簧結(jié)構(gòu)；

4、光學(xué)玻璃基底。

具體實(shí)施方式

以下介紹的是作為本發(fā)明所述內(nèi)容的具體實(shí)施方式，下面通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的所述內(nèi)容作進(jìn)一步的闡明。當(dāng)然，描述下列具體實(shí)施方式只為示例本發(fā)明的不同方面的內(nèi)容，而不應(yīng)理解為限制本發(fā)明范圍。

本發(fā)明的光學(xué)玻璃微米級(jí)空間碎片防護(hù)膜，包括依次設(shè)置在光學(xué)玻璃基底4表面上的彈簧結(jié)構(gòu)3、底層薄膜2和納米多層連續(xù)薄膜1。

實(shí)施方式1彈簧結(jié)構(gòu)為sio2，底層為si層

在光學(xué)玻璃上先制備成分為sio2的彈簧結(jié)構(gòu)，光學(xué)玻璃先進(jìn)行清潔處理，乙醇溶液超聲清洗5min，并進(jìn)行烘干。彈簧結(jié)構(gòu)采用掠射角沉積技術(shù)來(lái)制備，在氧氣氛圍下通過(guò)si靶材磁控濺射方式在光學(xué)玻璃表面制備sio2彈簧結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)為：磁控濺射粒子束入射角為82°，氣壓8×10-1pa，磁控濺射功率500w，光學(xué)玻璃旋轉(zhuǎn)速率1.5rpm，時(shí)間60min，最終獲得厚度0.62μm的彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在光學(xué)玻璃面上。

其次，彈簧結(jié)構(gòu)上制備si打底層，在氬氣氛圍下通過(guò)si靶材磁控濺射方式在彈簧結(jié)構(gòu)上制備si連續(xù)膜層，具體參數(shù)為：磁控濺射粒子束入射角0°，氣壓4×10-1pa，磁控濺射功率600w，時(shí)間30min，最終獲得厚度0.26μm的膜層。

最后，si打底層上制備納米多層膜，其成分為dlc/al，由dlc膜和al膜多層交替制備而成，dlc/al多層膜包括5個(gè)調(diào)制單元，即5層dlc膜，5層al膜。下面敘述1個(gè)單元的制備方法。首先制備dlc膜層，通過(guò)c2h2氛圍下射頻放電方式獲取，具體參數(shù)為：氣壓8×10-2pa，射頻功率800w，時(shí)間30s，制備的膜層厚度22nm；其次在氬氣氛圍下通過(guò)al靶磁控濺射技術(shù)制備al膜，具體參數(shù)為：氣壓5×10-1pa，射頻功率600w，時(shí)間60s，制備的膜層厚度33nm。其余4個(gè)單元制備方法上述過(guò)程相同。

實(shí)施方式2彈簧結(jié)構(gòu)為sio2，底層為ti層

在光學(xué)玻璃上先制備成分為sio2的彈簧結(jié)構(gòu)，光學(xué)玻璃先進(jìn)行清潔處理，乙醇溶液超聲清洗5min，并進(jìn)行烘干。彈簧結(jié)構(gòu)采用掠射角沉積技術(shù)來(lái)制備，在氧氣氛圍下通過(guò)si靶材磁控濺射方式在光學(xué)玻璃表面制備sio2彈簧結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)為：磁控濺射粒子束入射角為82°，氣壓8×10^-1pa，磁控濺射功率500w，光學(xué)玻璃旋轉(zhuǎn)速率1.5rpm，時(shí)間60min，最終獲得厚度0.62μm的彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在光學(xué)玻璃面上。

其次，彈簧結(jié)構(gòu)上制備ti打底層，在氬氣氛圍下通過(guò)ti靶材磁控濺射方式在彈簧結(jié)構(gòu)上制備ti連續(xù)膜層，具體參數(shù)為：磁控濺射粒子束入射角0°，氣壓4×10^-1pa，磁控濺射功率600w，時(shí)間30min，最終獲得厚度0.21μm的膜層。

最后ti打底層上制備納米多層膜，其成分為dlc/al，由dlc膜和al膜多層交替制備而成，dlc/al多層膜包括5個(gè)調(diào)制單元，即5層dlc膜，5層al膜。下面敘述1個(gè)單元的制備方法。首先制備dlc膜層，通過(guò)c2h2氛圍下射頻放電方式獲取，具體參數(shù)為：氣壓8×10^-2pa，射頻功率800w，時(shí)間30s，制備的膜層厚度22nm；其次在氬氣氛圍下通過(guò)al靶磁控濺射技術(shù)制備al膜，具體參數(shù)為：氣壓5×10^-1pa，射頻功率600w，時(shí)間60s，制備的膜層厚度33nm。其余4個(gè)單元制備方法上述過(guò)程相同。

實(shí)施方式3彈簧結(jié)構(gòu)為si3n4，底層為si層

在光學(xué)玻璃層上先制備成分為si3n4的彈簧結(jié)構(gòu)，光學(xué)玻璃先進(jìn)行清潔處理，乙醇溶液超聲清洗5min，并進(jìn)行烘干。彈簧結(jié)構(gòu)采用掠射角沉積技術(shù)來(lái)制備，在氮?dú)夥諊峦ㄟ^(guò)si靶材磁控濺射方式在光學(xué)玻璃表面制備si3n4彈簧結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)為：磁控濺射粒子束入射角為86°，氣壓6×10^-1pa，磁控濺射功率500w，光學(xué)玻璃旋轉(zhuǎn)速率1.5rpm，時(shí)間60min，最終獲得厚度0.54μm的彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在光學(xué)玻璃面上。

其次，彈簧結(jié)構(gòu)上制備si打底層，在氬氣氛圍下通過(guò)si靶材磁控濺射方式在彈簧結(jié)構(gòu)上制備si連續(xù)膜層，具體參數(shù)為：磁控濺射粒子束入射角0°，氣壓4×10^-1pa，磁控濺射功率600w，時(shí)間30min，最終獲得厚度0.26μm的膜層。

最后si打底層上制備納米多層膜，其成分為dlc/al，由dlc膜和al膜多層交替制備而成，dlc/al多層膜包括5個(gè)調(diào)制單元，即5層dlc膜，5層al膜。下面敘述1個(gè)單元的制備方法。首先制備dlc膜層，通過(guò)c2h2氛圍下射頻放電方式獲取，具體參數(shù)為：氣壓8×10^-2pa，射頻功率800w，時(shí)間30s，制備的膜層厚度22nm；其次在氬氣氛圍下通過(guò)al靶磁控濺射技術(shù)制備al膜，具體參數(shù)為：氣壓5×10^-1pa，射頻功率600w，時(shí)間60s，制備的膜層厚度33nm。其余4個(gè)單元制備方法上述過(guò)程相同。

實(shí)施方式4彈簧結(jié)構(gòu)為si3n4，底層為ti層

在光學(xué)玻璃層上先制備成分為si3n4的彈簧結(jié)構(gòu)，光學(xué)玻璃先進(jìn)行清潔處理，乙醇溶液超聲清洗5min，并進(jìn)行烘干。彈簧結(jié)構(gòu)采用掠射角沉積技術(shù)來(lái)制備，在氮?dú)夥諊峦ㄟ^(guò)si靶材磁控濺射方式在光學(xué)玻璃表面制備si3n4彈簧結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)為：磁控濺射粒子束入射角為86°，氣壓6×10^-1pa，磁控濺射功率500w，光學(xué)玻璃旋轉(zhuǎn)速率1.5rpm，時(shí)間60min，最終獲得厚度0.54μm的彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在光學(xué)玻璃面上。

其次，彈簧結(jié)構(gòu)上制備ti打底層，在氬氣氛圍下通過(guò)ti靶材磁控濺射方式在彈簧結(jié)構(gòu)上制備ti連續(xù)膜層，具體參數(shù)為：磁控濺射粒子束入射角0°，氣壓4×10^-1pa，磁控濺射功率600w，時(shí)間30min，最終獲得厚度0.21μm的膜層。

最后si打底層上制備納米多層膜，其成分為dlc/al，由dlc膜和al膜多層交替制備而成，dlc/al多層膜包括5個(gè)調(diào)制單元，即5層dlc膜，5層al膜。下面敘述1個(gè)單元的制備方法。首先制備dlc膜層，通過(guò)c2h2氛圍下射頻放電方式獲取，具體參數(shù)為：氣壓8×10^-2pa，射頻功率800w，時(shí)間30s，制備的膜層厚度22nm；其次在氬氣氛圍下通過(guò)al靶磁控濺射技術(shù)制備al膜，具體參數(shù)為：氣壓5×10^-1pa，射頻功率600w，時(shí)間60s，制備的膜層厚度33nm。其余4個(gè)單元制備方法上述過(guò)程相同。

下面列表說(shuō)明不同實(shí)施方式得到防護(hù)膜的性能。

碎片撞擊后防護(hù)膜性能對(duì)比(速度：6.52km/s，直徑：0.5mm，厚度：3μm)

盡管上文對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說(shuō)明，但是應(yīng)該指明的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以依據(jù)本發(fā)明的精神對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用在未超出說(shuō)明書(shū)及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。