1、引言
热控涂层是航天器热控系统的重要组成部分,它能够改变航天器的表面热物理性质，以便在辐射热交换中有效地控制航天器的温度，使之在内外热交换过程中，内部仪器、设备工作时的温度不超过允许范围，以保证航天器内部的正常工作环境。其原理是调节物体表面的太阳吸收率αs 和红外发射率εh 来控制物体的热平衡。地球同步轨道（GEO）存在的地磁亚暴环境有严重的充放电效应，极地轨道的沉降电子会造成电荷在卫星表面热控涂层上积累，当超过击穿阈值时，卫星表面将发生放电，这将对卫星带来极大的破坏作用。由于卫星外表面大部分被用于温控的热控涂层所覆盖，所以可以通过提高热控涂层的导电性能来达到防静电的目的，如在镜反射热控涂层外表面镀一层氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜、在涂料型热控涂层中添加导电组分等。具有导电性能的热控涂层也被称为防静电热控涂层，如ITO/F46/Ag热控涂层等。
然而，热控涂层在大气下与在真空状态下的性能存在较大差异，从真空状态进入大气中后，其电学性能存在一定的回复效应。这说明真空环境对热控涂层的性能有着较大影响。
本文系统研究了紫外辐照前后真空环境对防静电热控涂层电学性能的影响，并提出了产生这种影响的原因，给出了研究辐照环境对防静电热控涂层电学性能影响过程中的数据分析建议。
2、辐照试验
本试验在北京卫星环境工程研究所的空间综合环境设备上进行。试验样品分别为ITO/Kapton/Al、ITO/F46/Ag、OSR 二次表面镜，每种试验样品的数量为2 个；其中ITO 膜厚度为0.1 μm，位于热控涂层的最外层。当真空度达到10-3 Pa 后，开启紫外源；当紫外辐照达到500 ESH 后，关闭紫外源。分别在辐照前的大气状态、高真空状态、紫外辐照25 ESH、500 ESH、辐照后大气状态以及大气状态一段时间后测量样品的表面电阻率。试验所用的近紫外源为1000W汞氙灯，利用太阳模拟器辐照装置，具体试验参数见表1。
图为：真空紫外辐照试验参数表 表面电阻率采用原位测量，其测试原理图及测试装置图分别见图1 和图2。用GENESIS 60S型X 射线光电子能谱仪（XPS）对热控涂层的ITO膜层氧的存在进行了分析，用TSPTT-200 型四极质谱仪对辐照前后的涂层放气情况进行了分析。
图一二为：表面电阻率原位测试、布置示意图
3、试验结果及分析
3.1 从大气状态到紫外辐照前期
分别在大气状态下、真空度2.6×10-3Pa 和紫外辐照25ESH后对3种防静电热控涂层进行表面电阻率测试，测试结果见图3～图5。其中每种涂层2组图形的差别可能由于辐照度及样品本身的不均匀性导致，但变化规律是一致的。
由图3~图5为： 从大气到辐照前表面电阻率的变化示意图 ，可知，样品从大气环境进入真空状态后，表面电阻率降低；当紫外辐照25 ESH 后，表面电阻率进一步降低。
3.2 紫外辐照后期至大气状态
分别在紫外辐照500 ESH、由真空回至大气状态以及大气状态一段时间后对3 种防静电热控涂层进行表面电阻率测试，测试结果分别见图6～图8。
由图6～图8 为：紫外辐照后期至大气状态图，分析可知：样品从真空状态进入大气状态后，表面电阻率升高；当在大气环境中放置一段时间后，表面电阻率进一步升高。
4、机理研究
ITO薄膜的导电性缘于它是一种N型半导体，高导电率主要是由于高电子浓度的缘故。ITO 薄膜中的载流子主要来自于铟掺锡和形成氧空位而处于弱激发状态的电子。当 Sn4+进入In2O3 的晶格时，很容易取代In3+的位置形成替位固溶体。当Sn4+置换部分In3+时，为保证电中性，易变价的Sn4+将捕获一个电子而变成（Sn4++e），即Sn3+。这个电子与Sn3+的联系是弱束缚的，是载流子来源之一。
同时在ITO薄膜中还存在着另外一种缺陷，这就是氧空位。In2O3 中的部分氧离子O2-脱离原晶格，即形成氧空位。
氧空位相当于一个带正电荷的中心，能束缚电子。被束缚的电子处于氧离子空位上，为邻近的In3+所共有，它的能级距导带很近，当受激发时该电子可跃迁到导带中，因而使ITO 薄膜具有导电性。
对防静电热控涂层进行XPS（X射线光电子谱）分析，研究其氧元素的存在状态，对其氧元素分峰，见图9辐照前o元素能谱峰图。
由图9可以看出，辐照前薄膜表面的O 1s_a峰和O 1s_c 峰分别对应于足氧状态和缺氧状态：低结合能的O 1s_a 峰代表了In2O3 晶格中氧原子，即In—O 键中的氧；O 1s_c 峰代表着ITO 膜中氧空位的数目，而氧空位直接同薄膜中的载流子浓度数量相关。通常认为，一个氧空位提供2 个自由电子，并在能带结构中引入施主杂质能级。
对紫外辐照前后的防静电热控涂层进行氧元素质谱实时检测分析（图10），虚线为本底无涂层状态紫外辐照下的情况，实线为放入样品后紫外辐照下的情况。由对比可知，紫外辐照开始后，存在着一段时间的氧元素的释放，这说明在紫外辐照下，防静电热控涂层ITO膜层可能存在着化学吸附氧的析出。
图为：紫外辐照后o元素放气情况
由于ITO 膜中存在氧空位缺陷，大气条件下，表面存在着对氧的化学吸附。化学吸附氧的存在减少了导带中自由电子的数量。随着真空度的提高，化学吸附氧的数量将逐渐减少，从而使涂层的表面电阻率降低。当对其进行紫外辐照后，在紫外辐照的作用下，化学吸附氧获得能量进一步解吸附，同时ITO 膜价带中的束缚电子也将吸收辐照能量跃迁到导带，从而使得ITO 膜导带中的自由电子增多，导电性能增强，表面电阻率降低。
当将紫外辐照后的防静电热控涂层从真空状态下转回大气中，ITO 膜层中的氧空位缺陷又将开始吸附氧，从而减少了导带中的自由电子数量，引起导电性能下降，表面电阻率升高；随着在大气状态中放置的时间增长，氧空位缺陷的吸附氧数量将进一步增加，表面电阻率也将进一步增加，直到吸附氧达到饱和。
5、讨论
摘要：文章通过试验研究了近紫外辐照前后的真空环境对防静电热控涂层的电学性能影响，探讨了真空环境对防静电热控涂层电学性能影响的机理，给出了地面模拟试验过程中关于数据分析的建议。研究发现：真空环境将引起防静电热控涂层的表面电阻率降低、导电性能增强，而氧空位的增加和吸附氧的释放则是其表面电阻率降低的主要原因。
由上面的研究分析可以知道，真空环境对防静电热控涂层的导电性能有着重要的影响。在紫外辐照前，随着真空度的提高，ITO 防静电热控涂层的表面电阻率将降低；而辐照后从真空状态下恢复到大气状态后，其表面电阻率又将增大。分析原因，是由于ITO 半导体膜层中存在氧空位的缘故。所以，防静电热控涂层随航天器从地面发射升空后，其初期的导电性能将比在地面时有所提高。
在对防静电热控涂层导电性能的地面模拟试验中，由于在紫外辐照初期存在着吸附氧继续解吸的可能，因此在数据分析时，未辐照或者短期辐照的试验数据不适宜用来拟合分析涂层导电性能的长期退化趋势。
