1、引言
熱控涂層是航天器熱控系統的重要組成部分,它能夠改變航天器的表面熱物理性質，以便在輻射熱交換中有效地控制航天器的溫度，使之在內外熱交換過程中，內部儀器、設備工作時的溫度不超過允許范圍，以保證航天器內部的正常工作環境。其原理是調節物體表面的太陽吸收率αs 和紅外發射率εh 來控制物體的熱平衡。地球同步軌道（GEO）存在的地磁亞暴環境有嚴重的充放電效應，極地軌道的沉降電子會造成電荷在衛星表面熱控涂層上積累，當超過擊穿閾值時，衛星表面將發生放電，這將對衛星帶來極大的破壞作用。由于衛星外表面大部分被用于溫控的熱控涂層所覆蓋，所以可以通過提高熱控涂層的導電性能來達到防靜電的目的，如在鏡反射熱控涂層外表面鍍一層氧化銦錫（ITO）透明導電薄膜、在涂料型熱控涂層中添加導電組分等。具有導電性能的熱控涂層也被稱為防靜電熱控涂層，如ITO/F46/Ag熱控涂層等。
然而，熱控涂層在大氣下與在真空狀態下的性能存在較大差異，從真空狀態進入大氣中后，其電學性能存在一定的回復效應。這說明真空環境對熱控涂層的性能有著較大影響。
本文系統研究了紫外輻照前后真空環境對防靜電熱控涂層電學性能的影響，并提出了產生這種影響的原因，給出了研究輻照環境對防靜電熱控涂層電學性能影響過程中的數據分析建議。
2、輻照試驗
本試驗在北京衛星環境工程研究所的空間綜合環境設備上進行。試驗樣品分別為ITO/Kapton/Al、ITO/F46/Ag、OSR 二次表面鏡，每種試驗樣品的數量為2 個；其中ITO 膜厚度為0.1 μm，位于熱控涂層的最外層。當真空度達到10-3 Pa 后，開啟紫外源；當紫外輻照達到500 ESH 后，關閉紫外源。分別在輻照前的大氣狀態、高真空狀態、紫外輻照25 ESH、500 ESH、輻照后大氣狀態以及大氣狀態一段時間后測量樣品的表面電阻率。試驗所用的近紫外源為1000W汞氙燈，利用太陽模擬器輻照裝置，具體試驗參數見表1。

圖為：真空紫外輻照試驗參數表 表面電阻率采用原位測量，其測試原理圖及測試裝置圖分別見圖1 和圖2。用GENESIS 60S型X 射線光電子能譜儀（XPS）對熱控涂層的ITO膜層氧的存在進行了分析，用TSPTT-200 型四極質譜儀對輻照前后的涂層放氣情況進行了分析。

圖一二為：表面電阻率原位測試、布置示意圖
3、試驗結果及分析
3.1 從大氣狀態到紫外輻照前期
分別在大氣狀態下、真空度2.6×10-3Pa 和紫外輻照25ESH后對3種防靜電熱控涂層進行表面電阻率測試，測試結果見圖3～圖5。其中每種涂層2組圖形的差別可能由于輻照度及樣品本身的不均勻性導致，但變化規律是一致的。

由圖3~圖5為： 從大氣到輻照前表面電阻率的變化示意圖 ，可知，樣品從大氣環境進入真空狀態后，表面電阻率降低；當紫外輻照25 ESH 后，表面電阻率進一步降低。

3.2 紫外輻照后期至大氣狀態
分別在紫外輻照500 ESH、由真空回至大氣狀態以及大氣狀態一段時間后對3 種防靜電熱控涂層進行表面電阻率測試，測試結果分別見圖6～圖8。

由圖6～圖8 為：紫外輻照后期至大氣狀態圖，分析可知：樣品從真空狀態進入大氣狀態后，表面電阻率升高；當在大氣環境中放置一段時間后，表面電阻率進一步升高。
4、機理研究
ITO薄膜的導電性緣于它是一種N型半導體，高導電率主要是由于高電子濃度的緣故。ITO 薄膜中的載流子主要來自于銦摻錫和形成氧空位而處于弱激發狀態的電子。當 Sn4+進入In2O3 的晶格時，很容易取代In3+的位置形成替位固溶體。當Sn4+置換部分In3+時，為保證電中性，易變價的Sn4+將捕獲一個電子而變成（Sn4++e），即Sn3+。這個電子與Sn3+的聯系是弱束縛的，是載流子來源之一。

同時在ITO薄膜中還存在著另外一種缺陷，這就是氧空位。In2O3 中的部分氧離子O2-脫離原晶格，即形成氧空位。

氧空位相當于一個帶正電荷的中心，能束縛電子。被束縛的電子處于氧離子空位上，為鄰近的In3+所共有，它的能級距導帶很近，當受激發時該電子可躍遷到導帶中，因而使ITO 薄膜具有導電性。
對防靜電熱控涂層進行XPS（X射線光電子譜）分析，研究其氧元素的存在狀態，對其氧元素分峰，見圖9輻照前o元素能譜峰圖。

由圖9可以看出，輻照前薄膜表面的O 1s_a峰和O 1s_c 峰分別對應于足氧狀態和缺氧狀態：低結合能的O 1s_a 峰代表了In2O3 晶格中氧原子，即In—O 鍵中的氧；O 1s_c 峰代表著ITO 膜中氧空位的數目，而氧空位直接同薄膜中的載流子濃度數量相關。通常認為，一個氧空位提供2 個自由電子，并在能帶結構中引入施主雜質能級。
對紫外輻照前后的防靜電熱控涂層進行氧元素質譜實時檢測分析（圖10），虛線為本底無涂層狀態紫外輻照下的情況，實線為放入樣品后紫外輻照下的情況。由對比可知，紫外輻照開始后，存在著一段時間的氧元素的釋放，這說明在紫外輻照下，防靜電熱控涂層ITO膜層可能存在著化學吸附氧的析出。

圖為：紫外輻照后o元素放氣情況
由于ITO 膜中存在氧空位缺陷，大氣條件下，表面存在著對氧的化學吸附。化學吸附氧的存在減少了導帶中自由電子的數量。隨著真空度的提高，化學吸附氧的數量將逐漸減少，從而使涂層的表面電阻率降低。當對其進行紫外輻照后，在紫外輻照的作用下，化學吸附氧獲得能量進一步解吸附，同時ITO 膜價帶中的束縛電子也將吸收輻照能量躍遷到導帶，從而使得ITO 膜導帶中的自由電子增多，導電性能增強，表面電阻率降低。
當將紫外輻照后的防靜電熱控涂層從真空狀態下轉回大氣中，ITO 膜層中的氧空位缺陷又將開始吸附氧，從而減少了導帶中的自由電子數量，引起導電性能下降，表面電阻率升高；隨著在大氣狀態中放置的時間增長，氧空位缺陷的吸附氧數量將進一步增加，表面電阻率也將進一步增加，直到吸附氧達到飽和。

5、討論
 摘要：文章通過試驗研究了近紫外輻照前后的真空環境對防靜電熱控涂層的電學性能影響，探討了真空環境對防靜電熱控涂層電學性能影響的機理，給出了地面模擬試驗過程中關于數據分析的建議。研究發現：真空環境將引起防靜電熱控涂層的表面電阻率降低、導電性能增強，而氧空位的增加和吸附氧的釋放則是其表面電阻率降低的主要原因。

由上面的研究分析可以知道，真空環境對防靜電熱控涂層的導電性能有著重要的影響。在紫外輻照前，隨著真空度的提高，ITO 防靜電熱控涂層的表面電阻率將降低；而輻照后從真空狀態下恢復到大氣狀態后，其表面電阻率又將增大。分析原因，是由于ITO 半導體膜層中存在氧空位的緣故。所以，防靜電熱控涂層隨航天器從地面發射升空后，其初期的導電性能將比在地面時有所提高。
在對防靜電熱控涂層導電性能的地面模擬試驗中，由于在紫外輻照初期存在著吸附氧繼續解吸的可能，因此在數據分析時，未輻照或者短期輻照的試驗數據不適宜用來擬合分析涂層導電性能的長期退化趨勢。