随着人类太空活动的日益频繁，空间碎片数量逐年大幅增加，对在轨航天器的威胁也随之增加[1-2]。在人类开展航天活动的空间内，特别是在低地球轨道（LEO）空间中，空间碎片已被认为是影响航天任务的一个现实问题。空间碎片探测活动表明，空间碎片数量随尺寸的减少而成倍增加。由空间碎片模式MASTER-2005计算可知，绝大多数碎片为直径 1～1000 μm的微小碎片，而直径小于1 μm的碎片更是难以数计[3]。相对于大碎片而言，空间微小碎片单次撞击虽不足以产生严重后果，但由于数量巨大，其长期累积撞击所产生的影响不可忽视[4-5]。空间微小碎片的累积撞击会对航天器材料和系统产生严重影响，已成为制约长寿命、高可靠性航天器发展的重要空间环境因素。因此，必须开展空间微小碎片防护。

空间微小碎片撞击航天器表面可引起表面穿孔、等离子放电、碰撞污染、光学“砂蚀”效应等损伤，使航天器表面热控、光学等性能退化或结构受损[6-8]。微小碎片的防护主要着眼于结构和材料两方面[9]。其中，防护结构通常采用蜂窝结构[10]、多孔泡沫结构[11]，Wipple防护屏；防护材料则为高强铝、金属纤维板、碳/聚酰亚胺、Nextel高强度陶瓷纤维、石英玻璃等强度高、质量轻、性能稳定的材料。除了改变航天器自身结构和材料外，对航天器材料进行表面改性也是重要的防护方法之一。薄膜技术在空间环境的表面防护中起到了相当大的作用，例如常见的SiO2、Al2O3、TiO2及类金刚石等无机硬质薄膜[12-16]，硅氧烷有机柔性薄膜以及有机/无机复合薄膜等[17]。

抽取我校2012级护理专业一班和二班作为实验对象，均为女生，一班52人，二班53人，两班学生的年龄和基础学科成绩经统计学分析无显著性差异。设一班为对照组，二班为实验组。

目前，对于表面防护膜层的研究主要集中于材质属性，而对于其进一步细微结构化设计的研究，还鲜有报道。因此，开展表面防护膜层结构化设计，对于空间微小碎片防护的研究具有重要意义。

目前，有循证医学证据的抗血小板药物主要包括三大类：阿司匹林、二磷酸腺苷(ADP)受体拮抗剂、静脉血小板膜糖蛋白GP Ⅱb/Ⅲa拮抗剂。

SiO2薄膜牢固稳定、抗磨耐蚀，且可充实薄膜表面缺陷，是常用的空间防护薄膜[18-19]。钛及其合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点，是重要的航空航天飞行器材料之一[20]。特别是近年来，对于钛及其合金表面微/纳米结构设计已有大量报道。例如，钛表面改性后既可获得分布均匀整齐的 TiO2纳米管阵列[21]，也可形成泡沫状多孔结构[22]。然而，钛及其合金表面微/纳米结构设计主要集中在医用领域，在航天领域的应用还很少。

本试验基片为纯度99.9%的高纯钛，通过阳极氧化法在其表面制备类蜂窝状TiO2纳米管阵列夹层[25]。首先将钛片用600#、1000#、1500#金相砂纸按顺序打磨，然后用无水乙醇超声清洗，最后用去离子水洗净，吹干。取800 mL烧杯一个，依次加入1.8 g氟化铵、4 mL去离子水，待其完全溶解后，加入乙二醇至溶液体积为400 mL。加入磁搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌均匀，即得到所需电解液。将洗净的钛片放入100 mL电解液中，在直流电源下进行阳极氧化，电压为60 V，电解时间为2 h。反应完成后，将钛片放在无水乙醇中超声清洗2 min，再用去离子水清洗，干燥待用。

1 试验

1.1 夹层结构制备

因此，本文将防护结构和材料设计微缩化应用于表面防护膜层微结构，分别采用阳极氧化和碱热处理的方法在钛金属表面制备了类蜂窝状纳米管阵列和泡沫状多孔结构夹层，并进一步采用溶胶凝胶方法覆以 SiO2无机硬质薄膜封装成整体，形成具有多墙面以及连续网状结构的防护膜层体系以分散冲击挤压力[23-24]，探索表面膜层微结构化对空间微小碎片的防护效果。

采用碱热处理法在钛表面制备泡沫状多孔夹层[22]。首先将钛片用600#、1000#、1500#金相砂纸按顺序打磨，随后用无水乙醇超声清洗，最后用去离子水洗净，吹干。配制浓度为5 mol/L的浓氢氧化钠溶液，将钛片置于其中，在60～90 ℃下保温6～8 h，取出，清洗，干燥待用。

1.2 表板薄膜制备

典型的纳米压痕的载荷-深度曲线如图7所示[28]。图中，Pmax为最大载荷；hmax为压痕过程的最大压深；hc为卸载曲线顶部切线和横轴的交点；hf为完全卸载后残余压痕深度；S为卸载曲线顶部斜率，物理意义可反映系统接触刚度，表达式为式（1）。

将具有类蜂窝状 TiO2纳米管阵列或泡沫状多孔结构的钛片置于提拉镀膜机上，使用所制得的 SiO2溶胶进行提拉镀膜法镀膜。提拉次数为 3次，每次提拉之间的间隔为 10 min，在液体中浸渍的时间为10 s。待镀膜完成后，将其置于马弗炉中烧结，烧结温度为500 ℃，升温速度为10 /min℃。在500 ℃下保温1 h后随炉冷却，得到具有微结构化夹层的防护涂层。

SiO2溶胶的制备步骤如下：首先将210 mL无水乙醇和210 mL正硅酸乙酯混合搅拌均匀，然后将混合均匀的45 mL无水甲酸、9 mL盐酸和16.2 mL水逐渐滴入其中，最后滴入 4～5滴二甲基甲酰胺作为助剂来增加其与夹层的附着作用。

1.3 性能测试及组织观察

采用日本日立（HITACHI）公司的S4800型场发射扫描电子显微镜和Keyence VHX-2000C体式显微镜观察材料表面形貌。采用X-ray diffraction（XRD，D8 Advanced，Bruker，Germany）表征样品的物相组成，工作参数：Cu Kα1射线（λ=0.154 nm），工作电压40 kV，工作电流40 mA。

心脏是机体主要耗能器官之一，由于其永不停息地工作，需要消耗机体将近90%以上的三磷酸腺苷（ATP）能量，ATP为心肌的收缩和舒张提供能量。能量代谢是心肌细胞活动的物质基础，心肌组织中磷酸腺苷［通常指ATP、二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP）］以及磷酸肌酸（phosphocreatine，PCr）的含量变化直接反映心肌能量代谢状况。通常通过测定心肌组织中的PCr、肌酐（creatinine）、ATP及其代谢产物ADP、AMP的含量变化，可判断心肌缺血的程度，有助于评价药物是否对心肌缺血有改善或保护作用［1］。

图 1为 TiO2纳米管阵列夹层扫描电镜形貌。可以看出，采用阳极氧化法在钛片表面制备了分布密集的 TiO2纳米管阵列，TiO2纳米管的圆度较好，孔径大小均匀，整体类似蜂窝状，但是表面有起伏。图1b为局部放大图，图中测量了五个TiO2纳米管的孔径，分别为 128、117、117、119、130 nm，平均值为122.2 nm。此外，TiO2纳米管管壁厚约为10 nm。

使用美国 TI-Premier型纳米压痕仪测定材料表面载荷-深度曲线，表征材料表面力学性能。工作参数：Berkovich金刚石压头，最大载荷300 μN，最大压痕深度30 nm。

2 结果及分析

2.1 夹层结构形貌分析

2013年，水规总院以“保证质量，提高效率，优化服务”为重点，进一步完善技术保障体系，推动行业设计理念更新，全力做好水利基础设施建设的技术审查工作，总体满足了大规模水利建设的需要。

图2为钛金属表面多孔夹层结构的扫描形貌。从图中可以看出，钛金属经碱热处理后，表面得到了多孔结构，且多孔结构表面存在一些沟壑。图2b为局部放大图，可见多孔结构呈现出泡沫状构造。

图1 阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列扫描电镜图 Fig.1 SEM images of TiO2 nanotubes array made in the method of anodic oxidization

图2 碱热处理制备的多孔结构扫描电镜图 Fig.2 SEM images of porous structure of alkali-heat treated titanium

2.2 表板薄膜形貌分析

图 3为具有 TiO2纳米管阵列的钛片表面镀覆SiO2薄膜形貌。其中，图 3a为光学显微形貌图，可以看出所制备的表板 SiO2薄膜表面完全覆盖了 TiO2纳米管阵列结构，但表面并不平整。图 3b为 3D显微形貌，可以进一步看到表板 SiO2薄膜表面的高低起伏。这主要是与TiO2纳米管阵列的夹层结构有关。

图3 具有TiO2纳米管阵列的钛片表面镀覆SiO2薄膜后的形貌 Fig.3 OM (a) and 3D microstructure(b) of TiO2 nanotube array coated with SiO2 film

图4 多孔夹层结构镀覆SiO2膜后的光学显微观察和3D显微形貌图 Fig.4 OM (a) and 3D microstructure(b) of porous interlayer structure coated with SiO2 film

图 4为具有泡沫状多孔结构的钛片表面镀覆SiO2薄膜形貌。与图 3对比发现，两种表板 SiO2薄膜的形貌相近似，均有效实现了对夹层结构的覆盖，同时表面均呈现较均匀的起伏态势。

喷溅过程是激光打孔效率高的主要原因，而熔融物的不完全喷溅将降低小孔的质量。从实验方面，首先对喷溅过程进行了测量，实验装置如图1所示。毫秒激光发出的激光光束通过透镜聚焦于铝板表面，将高速摄影仪置于铝板侧面，则可以捕捉打孔中熔融物沿垂直于铝板表面方向的喷溅轨迹。采用的激光波长为1 064 nm，光斑半径约为0.3 mm，脉宽为2.5 ms，能量为7.5 J～42.6 J。高速摄影仪的帧率为4 261 fps，即在激光脉冲作用时间内可以捕捉10帧图片。

由上可知，在钛片表面成功制备了具有类蜂窝状纳米管阵列夹层和泡沫状多孔结构夹层的两种防护膜层体系。

2.3 模拟微小碎片撞击研究

针对表面具有类蜂窝状纳米管阵列和泡沫状多孔结构夹层的钛片以及无涂层纯钛片，采用激光驱动飞片模拟空间微小碎片撞击，对比分析夹层结构对微小碎片撞击防护的影响，光学显微观察和3D显微形貌结果如图5所示。可以看出，无防护涂层的纯钛片被撞击后，撞击损伤坑较为集中，最大坑深约50 μm。而具有夹层防护结构的钛片被撞击后，形成的损伤区域范围较大，呈现由中心向四周放射性溅射的特征，最大坑深分别约为20 μm（纳米管阵列夹层结构）和25 μm（多孔夹层结构）。由此可见，钛片表面的纳米管阵列和多孔夹层结构提高了对微小碎片撞击的抵抗能力，降低了撞击产生的损伤程度。

通过激光驱动铝飞片模拟空间微小碎片[27]，激光器为北京镭宝Nimma900型固体激光器，其发射的激光光束经光学系统进入真空室。工作参数：激光波长1064 nm，输出能量850 mJ，激光单点触发模式；铝飞直径120 μm，铝飞厚度20 μm，飞片速度2～3 km/s；真空室真空度6×10-2 Pa。

2.4 纳米压痕测试分析

采用纳米压痕仪对材料表面进行力学性能评价，测定载荷-深度曲线。用纳米压痕仪测得所镀制 SiO2表板膜层的厚度约为 300 nm，确定试验加载方式为1/10厚度模式，即最大压痕深度为30 nm。为了更清楚地说明两种防护涂层的力学性能，同时以相同模式测定无涂层纯钛片的载荷-深度曲线，结果如图 6所示。可见，纯钛片在达到最大压痕深度30 nm时，表面载荷可达 300 μN，且卸载后仍然具有较大的残余变形，产生的塑性变形量在15 nm左右。而表面具有纳米管阵列和多孔结构夹层防护钛片的最大加载载荷分别为100、130 μN，卸载后残余塑性变形量分别为7、10 nm。

采用溶胶凝胶方法在具有类蜂窝状 TiO2纳米管阵列或泡沫状多孔结构的钛片表面镀制 SiO2膜层，得到表板薄膜[26]。

在测量过程中,磁芯变形与气隙变化,都将导致灵敏度和准确度的恶化,且在安装过程中,安装位置及安装气隙的不同都将会对测量结果造成一定误差,因此改善传感器的线性度及准确度将成为以后研究的重点。

由此分析可知，钛片表面具有纳米管阵列和多孔夹层防护结构时，接触刚度约为纯钛片表面的21%和32%，表面接触刚度明显降低，这将提高外力作用下的接触变形能力，有效缓解和吸收高速撞击产生的能量，实现对高速撞击的防护作用。这一结果与图5给出的微小飞片撞击后钛片表面扫描电镜与三维体氏显微镜形貌结果一致。

图5 微小飞片撞击后钛片表面光学显微观察与三维体氏显微镜形貌图 Fig.5 OM and 3D microscope morphology of Ti surface after micro flyer impact: a) pure Ti substrate,b) TiO2 nanotubes array interlayer structure, c) porous interlayer structure

图6 纳米压痕测定载荷-深度曲线 Fig.6 Load-depth curves from nano-indentation test: a) pure Ti substrate,b) TiO2 nanotubes array interlayer structure, c) porous interlayer structure

图7 典型的纳米压痕的载荷-深度曲线[28] Fig.7 Typical load- depth curves from nano-indentation test

3 结论

1）用阳极氧化法和碱热处理法在金属钛表面制备了类蜂窝 TiO2纳米管阵列和泡沫多孔结构两种夹层，用溶胶凝胶法在其表面进一步镀制 SiO2膜层作为表板薄膜，最终在钛表面形成了TiO2纳米管阵列/SiO2和多孔结构/SiO2两种防护膜系。

2）钛金属表面的类蜂窝TiO2纳米管阵列和泡沫多孔夹层结构明显降低了表面接触刚度，提高了外力作用下的接触变形能力，可有效缓解和吸收高速撞击产生的能量，使表面撞击坑变浅、损伤程度降低，提高了对空间微小碎片高速撞击的防护作用。

无人机、拖拉机自动导航驾驶系统等厂家较多，平均每个厂家的产品在全县的保有量都不是很多，服务时要用到电脑、手机上的应用程序，对服务人员的文化水平要求较高，每个厂家不可能都常住服务人员，机手在出现故障时不能有效及时解决，影响了精准农业应用系统的发展。

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