碳纳米管原子氧探测器及其制造方法与流程

本发明属于空间环境探测技术领域，具体而言，本发明涉及一种碳纳米管原子氧探测器以及该探测器的制造方法。

背景技术：

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10⁹～10⁵cm^-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。原子氧一方面会与航天器表面材料发生化学反应，另一方面会溅射航天器表面材料，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，分析轨道原子氧通量。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，美国航空航天局原子氧数据库和环境模型主要来源于在轨探测试验结果，这些探测数据为低地球轨道航天器的原子氧环境防护设计提供了依据，也为原子氧地面模拟试验提供了准则。

原子氧环境探测离不开探测仪器。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。该方法主要通过薄膜电阻变化来分析原子氧的通量。首先选择对原子氧敏感的导电材料，并将其沉积在绝缘基底上形成一定厚度的薄膜。当传感器入轨后，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。通过测量薄膜的电阻变化量，并通过事先标定的电阻变化量与原子氧通量间的关系，就可以计算出采用周期内原子氧通量平均值。目前，电阻法用到的薄膜材料主要是银和锇两种。银的原子氧反应率最高，时间分辨率高，采样周期短，实时响应性好，但是银与原子氧反应形成固态疏松的氧化银，阻挡了原子氧与下边银膜的继续反应，因此工作时间短。锇是单质金属，环境稳定性好，原子氧反应生成挥发的四氧化三锇，其原子氧反应率是线性的，锇的原子氧反应率低，适合长期暴露飞行试验研究，但是锇有一定的毒性，且锇膜不易制备，特别是锇膜较厚时容易起皮、皲裂，这也限制了锇膜探测器工作的时间。

因此，研制一种容易制备且探测原子氧时安全，耐用的探测器是非常必要的。

技术实现要素：

针对空间原子氧探测的需求，本发明提出了一种基于电阻测量方法的原子氧探测器，即利用碳纳米管替代银或者锇等金属类薄膜。本发明利用碳纳米管的导电性，以及在原子氧作用下生成气体的性质，通过测量碳纳米管膜的电阻，推算出碳纳米管膜厚度减少量，从而推算出原子氧的注量。

本发明采用了如下的技术方案：

本发明的空间原子氧的碳纳米管探测器，包括基底、碳纳米管层、电极，其中碳纳米管层设置在基底中间，碳纳米管层的两端各镀上电极，通过测量两电极之间的电阻变化来探测空间氧原子的注量。

其中，所述基底为玻璃基底或陶瓷基底。

其中，碳纳米管层为碳纳米管纸。

其中，碳纳米管层是用导电银浆料将碳纳米管纸粘贴基底上形成的，基底大小要大于碳纳米管纸条大小。

其中，电极为金、铂金、银、铜金属材料电极。

进一步地，碳纳米管纸的尺寸为宽度从1mm至10cm，长度1cm至10cm的长条，碳纳米管纸厚度从100nm-1mm。

进一步地，碳纳米管膜的厚度为100nm-300nm。

上述空间原子氧的碳纳米管探测器的制造方法，包括以下步骤：

1将基底进行清洁处理，将长条形碳纳米管层设置在基底上，碳纳米管层的面积小于基底的面积；

2用面积小于碳纳米管层的长条形挡板对应设置在碳纳米管层上，碳纳米管层的两端从挡板两侧面露出一部分；

3将碳纳米管层露出的侧面部分镀上电极，将电极两端连接外部测量电路，并将挡板去除，形成探测空间原子氧的探测器。

进一步地，长条形碳纳米管层为碳纳米管纸，碳纳米管纸的尺寸为从1mm至10cm，长度1cm至10cm的长条，碳纳米管纸厚度从100nm-1mm，其通过导电银浆料粘贴基底上。

其中，利用磁控溅射镀膜或者电子束镀膜方法，在露出的碳纳米管纸上镀金属电极。

本发明利用碳纳米管的导电膜，进行原子氧的探测，由于碳纳米管具有导电性，且在原子氧照射下能够生成气态物质，因此适于作为薄膜电阻测量原子氧探测器，且碳纳米管膜厚度可以控制，研制了长寿命的探测器。

附图说明

图1a是本发明的空间原子氧的碳纳米管探测器的主视图；

图1b是本发明的空间原子氧的碳纳米管探测器的俯视图；

图中：1-基底；2-碳纳米管层；3-电极。

图2为本发明的空间原子氧的碳纳米管探测器在不同原子氧注量下碳纳米管薄膜电阻变化情况图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利作进一步的说明。

参见图1a-b，图1a-b分别显示了本发明的空间原子氧的碳纳米管探测器的结构。其中，该空间原子氧的碳纳米管探测器，包括玻璃基底1、宽度从7mm，长度6cm的长条，厚度为100nm的碳纳米管纸2、电极3，其中碳纳米管层通过导电银浆料粘贴玻璃基底1中间，碳纳米管层2的两端各镀上电极3，通过测量两电极3之间的电阻变化来探测空间氧原子的注量。

制备实施例1

首先，将市场买来的碳纳米管纸剪成细长条，例如5mm×3cm，将其利用导电银浆料粘贴在清洗过的玻璃基底上。

其次，在长条形碳纳米管纸中间部位放置同样宽度但长度较短的长条形玻璃挡板，碳纳米管纸的两端从玻璃挡板两侧各露出5mm长度。

第三，利用电子束蒸镀镀膜方法，镀金属铜，镀膜厚度1um。

第四，将碳纳米管中间部位的挡板移走，就得到了用于原子氧探测的探头。

将实施例1获得的碳纳米管纸的空间原子氧探测器，放入原子氧设备中，原子氧注量率为5.5×10¹⁵atom/(s·cm²)进行测试，获得图2所示的变化关系。其中碳纳米管纸的电阻可由电阻率公式获得

r＝ρ·l/s＝ρ·l/(a·b)(1)

其中，r是碳纳米管纸的电阻；ρ是碳纳米管纸的电阻率；s是碳纳米管纸的横截面积，是碳纳米管纸宽度和厚度的乘积s＝a·b，l是碳纳米管纸的长度。

在原子氧作用下,碳纳米管纸电阻随原子氧注量而变化:

r＝m/(n-k·φ)(2)

其中k是原子氧对碳纳米管的剥蚀率(cm³/atom,一个原子氧能够剥蚀材料的体积)，φ是原子氧注量(atom/cm²,是单位面积上接受到的原子氧个数。φ是原子氧通量对时间的积分，即是单位时间单位面积上入射的原子氧量。)。m、n是参数，与碳纳米管纸厚度、长度等有关系，可以利用试验得到。

图2是原子氧作用下，碳纳米管电阻随原子氧注量的变化关系图，从图可以看出，碳纳米管的电阻倒数(1/r)与原子氧注量(φ)成线性关系。即公式(2)取倒数。

1/r＝0.73-0.18×φ

利用反推的方法，通过测量碳纳米管r，就可以反推出来在一段时间内，入射的原子氧注量。

尽管上文对本专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。