T/CSTM 01323-2024 空间材料原子氧、紫外辐照和热循环综合环境模拟试验方法

ICS 19.040
CCS A 21
团体标准
T/CSTM 01323—2024
空间材料原子氧、紫外辐照和热循环综合环境模拟试验方法
Test method for space environment simulation of atomic oxygen, ultravioletirradiation and thermal cycling of space materials
2024-10-31 发布2025-01-31 实施
中关村材料试验技术联盟发布

前 言
本文件参照GB/T 1.1—2020 《标准化工作导则第1 部分：标准化文件的结构和起草规则》和GB/T
20001.4—2015《标准编写规则第4 部分：试验方法标准》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国材料与试验标准化委员会无机非金属材料领域标准化委员会（CSTM/FC04）提出。
本文件由中国材料与试验标准化委员会无机非金属材料领域特种涂层标准化技术委员会
（CSTM/FC04/TC04）归口。
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空间材料原子氧、紫外辐照和热循环综合环境模拟试验方法
重要提示：使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本文件并未指出所有可能的安全问
题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。
1 范围
本文件规定了空间材料原子氧、紫外辐照和热循环综合环境模拟试验的方法。
本文件适用于空间材料的原子氧、紫外辐照和热循环共同作用下的综合效应研究和应用。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，
仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本
文件。
GJB2502.1 航天器热控涂层试验方法第1 部分：总则
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
原子氧通量密度atomic oxygen flux
单位时间内入射到单位表面积上的原子氧数量。
3.2
原子氧累积通量atomic oxygen fluence
入射到单位表面积上的原子氧总数量。
3.3
紫外辐照度ultraviolet irradiance
单位时间内照射到单位表面积上的紫外光能量。
3.4
紫外辐照剂量ultraviolet irradiation dose
照射到单位表面积上的紫外光总能量。
3.5
原子氧剥蚀率atomic oxygen erosion yield
综合作用后每个原子氧撞击到材料表面引起的体积变化。
3.6
厚度损失thickness loss
综合作用后引起的材料厚度减小量。
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4 原理
将材料置于原子氧、紫外辐照和热循环综合环境模拟试验设备中，进行原子氧、紫外辐照和热循环
综合作用。通过观察、测试、分析试验前后材料的外观、微观形貌、质量、电学、光学、热学及力学等
性能参数的变化，评价其抗空间原子氧、紫外辐照和热循环综合作用的能力。
5 试验条件
5.1 试验室环境条件
试验室环境为温度10℃ ~ 30℃，相对湿度60％以下。
5.2 试样温度
试样温度按技术文件的规定。
5.3 试验参数
5.3.1 原子氧参数
原子氧能量、通量密度及累计通量按照技术文件规定执行。
5.3.2 紫外辐照参数
紫外波段200nm~400 nm 的紫外辐照加速因子不大于5，远紫外波段115nm~200 nm 的紫外辐照加
速因子不大于100。
5.3.3 热循环参数
热循环参数应符合下列规定：
a) 热循环试验的温度一般为-100℃ ~ +100℃。具体最高温度和最低温度按有关技术文件规定；
b) 热循环次数一般为100 次（由最高温到最低温再到最高温为一次循环），具体循环次数按有关
技术文件的规定；
c) 热循环降温速率、升温速率及保温时间按技术文件要求；保温时间一般不低于5 分钟，保温过
程中高温区温度变化范围为0℃~ 4℃，低温区温度变化范围-4℃~0℃。
5.3.4 其他
原子氧累积通量、紫外辐照剂量与热循环次数不能全程同时进行时，应将试验时间少的因素分段与
试验时间长的因素共同作用，或按技术要求规定执行。在不进行热循环试验时，试样温度应控制在10℃
~ 40℃范围内，或按技术要求规定执行。
6 仪器设备
6.1 真空系统
6.1.1 真空室应采用无油抽气系统。
6.1.2 真空室本底真空度优于1.3×10-3 Pa。
6.1.3 真空室内安装热沉，热沉温度应低于-60℃。
6.1.4 真空系统连续空载运行24 h 后，真空室内的有机污染物不超过1×10-7 g/cm2。
6.2 原子氧系统
6.2.1 原子氧束刻蚀作用面积应大于试样面积。
6.2.2 原子氧能量范围为3.0 eV ~ 10.0 eV。
6.2.3 原子氧通量密度一般为1×1014 O Atoms/（cm2·s）~ 2×1016 O Atoms/（cm2·s），原子氧通量
密度不均匀度不超过±10%。
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6.2.4 原子氧束与试样表面法线方向的夹角不超过±10°。
6.2.5 标定原子氧通量密度的试样一般采用Kapton H 或HN 进行（其剥蚀率按3.00×10-24 cm3/ O Atoms
计算），厚度一般为0.05 mm，直径不小于10 mm 的圆形或边长不小于10 mm 的方形件。
6.3 紫外辐照系统
6.3.1 紫外辐照面积应大于试样面积。
6.3.2 近紫外辐照光源产生的紫外波长为200 nm ~ 400 nm，辐照度为118 W/m2 ~ 590 W/m2，辐照度不
均匀性不超过10%。
6.3.3 远紫外辐照光源产生的紫外波长为115 nm ~ 200 nm，辐照度为0.01 W/m2 ~ 1 W/m2，辐照度不均
匀性不超过15%。
6.4 热循环系统
6.4.1 热循环系统的变温台表面配备温度传感器，测温精度优于1℃。
6.4.2 热循环系统的变温范围满足热循环试验的需求，一般最低温度低于-100℃，最高温度高于100℃。
6.4.3 热循环系统温度控制精度应优于±2℃。
6.5 仪器
6.5.1 天平：推荐使用电子天平，量程0 g ~ 40 g，感量0.00001 g。
6.5.2 气体流量计：量程0 sccm ~ 20 sccm，控制精度0.1 sccm。
6.5.3 紫外光源：200 nm ~ 400 nm 紫外光源可采用超高压汞灯、超高压汞氙灯、超高压氙灯等，需滤
除其中的可见光和红外光；200 nm 以下的紫外光源可采用氢灯、氘灯或其它气体放电灯。
6.5.4 紫外辐照度计：测试精度优于1 W/m2。
6.5.5 氧气瓶：高纯氧，纯度不低于99.9 %。
7 试样
7.1 试样尺寸应满足性能测试要求。
7.2 每种试样应至少制备五个，通过外观和性能测试选出三个或三个以上试样参与试验，并分别编号，
具体按技术文件要求。有多个试样时，应记录试样安装位置图。
7.3 试样的其它要求按GJB2502.1 中规定进行，对于破坏性测试试样设置参照试样，参照试样与被检试
样为同一批材料，并按7.2 的要求准备；参照试样测试的性能参数为试验前性能数据。
8 试验步骤
8.1 试验前准备
8.1.1 检查试验设备是否处于正常工作状态。
8.1.2 检查试验设备是否清洁、无污染，必要时使用无水乙醇进行清洗。
8.1.3 用已知原子氧剥蚀速率的标准试样Kapton H 或HN（剥蚀率为310-24 cm3/ O Atoms）标定原子
氧通量密度。在标定过程中通过调节微波源的输出功率来改变原子氧的通量密度。标定完毕后，将试验
条件固化。通量密度数值由公式（1）给出。
c c c c A   

  c m
··············································（1）
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式中：
—原子氧通量密度, 单位为氧原子每平方厘米每秒（ O Atoms/cm2∙s）；
Δmc—标准试样试验前后的质损，单位为克（g）；
Ac—标准试样的暴露面积，单位为平方厘米（cm2）；
c—标准试样的原子氧作用系数，单位为平方厘米每氧原子（cm2/ O Atoms）；
c—标准试样的密度，单位为克每立方厘米（g/cm3，Kapton H 密度：1.42g/cm3）；
c—标准试样在原子氧中的暴露时间单位为秒（s）。
8.1.4 用紫外辐照度计标定紫外辐照度。
8.1.5 按照7.2 进行试样准备。
8.1.6 按照技术文件要求测试试验前试样性能测试。
8.1.7 将试样及参照试样放在干燥器皿中24 h 后，从干燥器皿中取出试样，用天平称量试样质量并记
录，非金属材料应在压力低于2.0 ×10-1 Pa 的条件下保持48 h 后，用天平称量质量并记录。
8.1.8 将试样装入原子氧/紫外辐照/热循环综合试验设备的真空室中，记录各试样名称和试样序号。
8.1.9 将试样固定在试样台上。
8.1.10 记录试样在试样台上的位置，对试样进行拍照记录。
8.2 试验过程
8.2.1 将试样放置完成后，关闭真空室。
8.2.2 启动真空机组，使真空室压力优于1.3×10-3 Pa。
8.2.3 打开热沉，开始降温。
8.2.4 打开气体流量计，将纯度为99.9%的氧气送入真空室中，真空室压力不高于1 Pa。
8.2.5 开启原子氧系统，通量密度按8.1.3 标定结果。
8.2.6 开启紫外辐照系统，辐照度满足6.3 中的规定。
8.2.7 开启热循环系统，热循环试验条件按6.4 中的规定。
8.2.8 进行原子氧、紫外辐照和热循环综合作用，试验过程中保持试验设备参数稳定，并记录开始作用
的时间。
8.2.9 原子氧累积通量、紫外辐照剂量与热循环次数不能全程同时进行时，将试验时间少的因素分段与
试验时间长的因素共同作用，或按技术要求规定执行。
8.2.10 每24 小时监测、记录试验下列设备参数，并及时调节相应强度，使之满足试验要求：
a) 热沉温度和真空室真空度等参数；
b) 原子氧：靶电压强度、原子氧通量；
c) 紫外辐照：光源辐射照度、紫外辐照剂量；
d) 热循环：最高温度、最低温度、热循环次数。
8.2.11 试验过程中试样的性能测试按技术文件要求。
8.2.12 当原子氧累积通量、紫外辐照总剂量和热循环次数达到要求后，关闭原子氧、紫外辐照和热循
环的电源，并记录停止综合辐照试验的时间。
8.2.13 待热沉及热循环系统回温到室温后，停机复压，将试样从真空室中取出。
8.3 试验后试样的检查与测试
8.3.1 目视检查试样有无龟裂、剥落，起泡和变色等现象。
8.3.2 试验后试样的测试按技术文件要求在规定时间内进行。
8.4 试验中断及处理
8.4.1 原子氧系统故障
真空环境不破坏时，应先将设备恢复到正常工作状态，按原试验参数继续试验，直至达到要求。
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8.4.2 紫外辐照系统故障
真空环境不破坏时，应先将设备恢复到正常工作状态，按原试验参数继续试验，直至达到要求。
8.4.3 热循环系统故障
真空环境不破坏时，应先将设备恢复到正常工作状态，按原试验参数继续试验，直至达到要求。
8.4.4 真空系统故障
真空系统出现故障或其它意外导致试验停止，辐照室真空度在10 Pa 内，可在恢复真空度后继续试
验，直至达到要求。若辐照室真空度超过10 Pa，应更换试样，重新开始试验。
9 试验结果
9.1 原子氧通量计算
试样承受的原子氧通量按公式（2）计算。
F  t ······························································(2)
式中：
F—试样承受的原子氧通量，单位为氧原子每平方厘米（ O Atoms/cm2）；
t—试样在原子氧中的暴露时间，单位为秒（s）。
9.2 原子氧剥蚀率计算
按公式（3）计算试验材料的原子氧剥蚀率。
t A
R m e  

 
/ 
······························································(3)
式中：
Re—试样的剥蚀率，单位为立方厘米每氧原子（cm3/ O Atoms）；
Δm—原子氧/紫外辐照/热循环综合作用下，试样损失的质量，单位为克（g）；
—试样的密度，单位为克每立方厘米（g/cm3）；
—原子氧通量密度，单位为氧原子每平方厘米每秒（ O Atoms/cm2∙s）；
t—试样在原子氧中的暴露时间，单位为秒（s）；
A—验试样的暴露面积，单位为平方厘米（cm2）。
9.3 厚度损失计算
按公式（4）计算试验材料的厚度损失。
e X  F  R ······························································(4)
式中：
ΔX—试样的厚度损失，单位为厘米（cm）；
ΔRe—试样的剥蚀率，单位为立方厘米每氧原子（cm3/ O Atoms）；
F—试样承受的原子氧通量，氧原子每平方厘米（ O Atoms/cm2）。
9.4 其它数据
根据试验任务书或有关技术文件的规定计算性能变化值。
10 试验报告
试验报告应包括以下内容（但不限于）：
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――试验名称、试验日期、试样描述等相关信息；
――试验目的、试验与检测方法；
――试验条件与要求；
――试验设备、性能测试仪器介绍；
――试验测试结果，包括试验数据和曲线及试验照片；
――试验分析与结论；
――测试人员及测试日期。
具体按技术文件要求。
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附录A
（资料性）
起草单位和主要起草人
本文件起草单位：中国科学院上海硅酸盐研究所、上海卫星工程研究所、北京卫星制造厂有限公
司、中国科学院上海有机化学研究所。
本文件主要起草人：章俞之、马佳玉、吴岭南、谷红宇、宋力昕、王江、张立功、邹永军。