A Study on Degradation of Carbon-based Materials due to Atomic Oxygen in Space

太空中原子氧对碳基材料降解的研究

• 批准号: 10450043
• 负责人: SATOH Katsuhiko
• 金额: $ 9.02万
• 依托单位: UNIVERSITY OF TOKYO
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B).
• 财政年份: 1998
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1998 至 2000
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-10450043/
• 关键词: Atomic Oxygen; Material Degradation; DC arc-jet; Low earth orbit (LEO); Composite; Graphite; C; C composite

The degradation of structurl material exposed in space is a new problem, since various kinds of materials have been used for structures in low earth orbit (LEO). This study presents an experiment of degradation on the ground and a simulation by the molecular dynamics. In the experiment, atomic oxygen produced at a plasma torch is accelerated fluid dynamically with working gas. Graphite, C/C composite and Si-C.C.( : Sillicon impregnated C/C compsite) were used as the target materials. The mass loss per unit area is approximately proportional to the exposure time and depends strongly on the temperature of material surface. The eroded surface of materials were observed with SEM and EPMA.In case of C/C composit, the matrix region erodes substantially more than carbon fiber. The mass loss of Si-C.C.is less than that of corresponding C/C composite and only the C/C composite region erodes deeply with almost no erosion in Si and SiC regions. In order to investigate the degradation caused by high-energy atomic oxygen, numerical simulation was conducted for graphite using the molecular dynamics method. The simulation model explains tlxe influence of exposure time on the degradation of material.

随着各种材料被用于近地轨道(LEO)结构，暴露在太空中的结构材料的退化是一个新的问题。这项研究提供了地面降解实验和分子动力学模拟。在实验中，等离子体炬产生的原子氧是与工作气体一起动态加速的流体。以石墨、C/C复合材料和Si-C.C.(：硅浸渍C/C复合材料)为靶材。单位面积的质量损失与曝光时间近似成正比，并强烈依赖于材料表面的温度。用扫描电子显微镜和电子探针对材料的腐蚀表面进行了观察，对于C/C复合材料，基体区域的侵蚀比碳纤维严重得多。Si-CC的质量损失小于相应的C/C复合材料，只有C/C复合区腐蚀较深，而Si和SiC区几乎没有腐蚀。为了研究高能原子氧对石墨的降解作用，采用分子动力学方法对石墨进行了数值模拟。模拟模型解释了曝光时间对材料降解的影响。

项目成果

鈴木健太郎: "宇宙空間における原子状酸素による材料劣化の模擬実験及び理論解析"第39回航空原動機・宇宙推進講演会論文集. 130-135 (1999)

铃木健太郎：“外层空间原子氧引起的材料劣化的模拟实验和理论分析”第39届航空发动机和空间推进会议论文集130-135（1999）。

内山 崇: "高エネルギ原子状酸素による炭素系材料の劣化に関する研究"日本機械学会第7回機械材料・材料加工技術講演会講演論文集. 53-54 (1999)

Takashi Uchiyama：“高能原子氧引起的碳基材料劣化的研究”日本机械工程学会第七届机械材料和材料加工技术会议论文集53-54（1999）。

T.Uchiyama: "Experimental and theoretical simulation of material degradation caused by atomic oxygen impact in space"DYMAT 2000. 713-718 (2000)

T.Uchiyama：“太空中原子氧撞击引起的材料退化的实验和理论模拟”DYMAT 2000. 713-718 (2000)

鈴木 健太郎: "宇宙空間における高エネルギー原子状酸素による材料劣化" 日本機械学会 第6回機械材料・材料加工技術講演会講演論文集. 31-32 (1998)

铃木健太郎：“太空中高能原子氧引起的材料恶化”日本机械工程师学会第六届机械材料和材料加工技术会议论文集 31-32 (1998)。

Tadashi SHIOYA: "Macroscopic and Microscopic Aspects of Dynamic Crack Propagation" 3rd International Symposium on Impact Engineering '98. 56 (1998)

Tadashi Shioya：“动态裂纹扩展的宏观和微观方面”第三届国际冲击工程研讨会 98。