柯于俊-霍尔推力器壁面材料技术研究进展

　霍尔 推力器壁面材料 技术 研究进展

　柯于俊 兰州交通大学 摘要 限制霍尔推力器在空间应用的一个主要问题是由离子流导致的对陶瓷壁面的侵蚀。壁面材料是这个问题的核心。本文通过调研 BN、SiO 2 、Al 2 O 3 、多晶金刚石、石墨烯和石墨烯基纳米结构、纳米金刚石等材料作为壁面材料的进展情况，得出结论：由于超强的耐侵蚀能力和较高的放电效率,最有前景的霍尔电推力器壁面材料可能是纳米金刚石，供研究者参考。

　关键词 霍尔推力器；壁面；材料

　1 引言 霍尔推力器壁面的主要挑战是什么？其中限制霍尔推力器在空间应用的一个主要问题是由离子流导致的对陶瓷壁面的侵蚀[1] 。当离子速度达到（10-20）k

　m/s 时，壁面损耗就不可忽略，而且会显著影响推力器的寿命[2-4] 。目前使用的氮化硼（BN）陶瓷确保了优良的工作特性，但使用寿命不太理想；许多研究人员目前正在处理这个问题。设计工作旨在减少壁面损耗例如，通过使用尖端磁场简化（没有内部陶瓷壁）放电室几何结构，因此降低整体损耗；然而，壁面材料是这个问题的核心[5] 。

　2 进展 2.1 三种常见陶瓷材料 BN、SiO 2 、Al 2 O 3 Thomas Tondu, Jean-Pierre Chardon 测量了用于电推进的三种候选陶瓷（BN、SiO 2 、Al 2 O 3 ）的冲蚀率，并与 ONERA 离子溅射模拟工具 CSIPI 的模拟结果进行了比较[6] 。研究了xe+离子能量在 200eV～800eV 能量范围内和入射角在 0～75°范围内的影响。用模拟的方法预测侵蚀产额在 SiO 2 上是很好的，但在氮化硼和氧化铝上却与实际存在差异。这些差异归因于晶粒剥离效应和溅射原子电荷效应。

　在正入射 Xe+ 轰击下，在 200eV、350eV、500eV 和 800eV 下，二氧化硅、氧化铝和氮化硼的溅射产额如图 1 所示。溅射产额用 mm3/c 表示，这是表征 HET 蚀深度的最佳单位。氧化铝对离子侵蚀的敏感性较低，而二氧化硅对离子侵蚀的敏感性最高。BN、SiO 2 、Al 2 O 3 的趋势与预期趋势一致，但 BN 在 200eV 时溅射的趋势除外。这个测量值比 200eV 甚至 500eV 时的测量值都要高出很多。由于所有样品都同时被腐蚀，因此排除了由离子束引起的问题。对称重也进行了复查。

　 图 1 三种陶瓷材料在正入射下溅射产额与 xe+离子能量的关系 2.2 碳纳米管 碳纳米管也是一种很有前途的提高放电室抗侵蚀性的技术[7-11] 。众所周知，石墨烯和石墨烯基纳米结构，如碳纳米管，是非常强（自然界已知最强）的材料。对碳纳米管的抗离子流侵蚀性能进行了测试。特别地，在先进的空间推进系统中，多壁碳纳米管被用作防止等离子体侵蚀的保护涂层。Michigan Technological University 的 Yoke Khin Yap 等人对多壁碳纳米管（MWNTS）作为先进空间推进系统中防止等离子体侵蚀的保护涂层的评估，比较了多晶金刚石薄膜与 MWNTS、非晶碳（A-C）和氮化硼（BN）薄膜。研究了垂直排列和水平排列两种 MWNTS。只有金刚石薄膜和 VA-MWNTS 能经受住飞行质量霍尔效应推力器 250 eV 氪离子的侵蚀。发现 VA-MWNTS 在离子侵蚀后在其尖端形成束。

　如图 2 中的扫描电镜图像所示，所有样品都被霍尔推力器中的氪离子腐蚀[12-15] 。CVD 金刚石薄膜的晶粒在腐蚀前是可见的，但在腐蚀后消失。金刚石薄膜的表面可以被光学材料中观察到的离子抛光[8]。屏蔽区和侵蚀区拉曼光谱无明显变化。因此，离子侵蚀后金刚石膜仍留在基体上。用非接触式干涉仪进行的表面形貌分析表明，金刚石膜在 45nm 深度处被腐蚀。BN 和 A-C 薄膜在腐蚀后的 SEM 图像表明其表面存在刻蚀坑。这种形貌不是由非晶材料的蚀刻而产生的。因此，我们认为这是样品衬底上刻蚀的 Si 表面，BN 和 A-C 薄膜都被 kr离子完全溅射掉。如图 2d 所示，在水平放置的 MWNTS 上也发生了完全溅射。如图所示，在衬底表面没有发现 MWNTS。另一方面，VA-MWNTS 在离子侵蚀后仍保留在基底上。典型的“生长”VA-MWNTS 图像如图 3a 所示。这些 VA-MWNTS 大约一微米长，平均直径约 70nm，密度约为每平方厘米 5 x 109 。用于生长多壁碳纳米管的镍纳米颗粒保留在纳米管的尖端，如更亮的图像对比（图 3A）和背散射电子（BSE）图像（插图）所示。图 3b 显示了 VA-MWNTS 样品的遮蔽区和侵蚀区。很明显，MWNTS 在溅射中存活了下来。面具的边缘被视为一条明亮的条纹。

　 图 2 离子刻蚀前后各种薄膜的 SEM 图像

　图 3 (a)掩膜区的 VA-MWNTS，(b) 在掩盖区和腐蚀区可以清晰看到 VA-MWNTS

　图 4 (a)腐蚀后的 VA-MWNTS 图；（b）VA-MWNTS 在掩膜边界的图像 然而，高分辨率的 SEM 图像表明 VA-MWNTS 被腐蚀了约 0.5 微米。根据拉曼光谱，在 1580和 1360cm-1 处，G-和 D-带的强度都降低和展宽。这些结果与 SEM 观察到的 MWNTS 缩短如图4a 所示一致。如图所示，这些 MWNTS 的外观已从直径约 70nm 的规则圆柱管变为平顶不规则

　锥。其中一些圆锥体是由几个相邻的纳米管合并和焊接而成的。形貌的变化与拉曼谱带的展宽有关。

　为了了解这些平顶纳米结构的形成，我们用高分辨率场发射扫描电镜仔细地描绘了掩模边界上的形貌转变。通过这个映射，我们发现单个 VA-MWNTS 与周围的纳米管合并形成 MWNTS束，如图 4b 所示。捆绑的唯一原因是 VA-MWNTS 的尖端摆动，以便它们能够彼此靠近。在离子溅射过程中，针尖会产生烧蚀和热量，导致针尖表面熔化。当这些镍尖头摆动时，尖头有可能粘在相邻的尖头上，形成束。目前，摆尖的原因还不清楚。

　在无遮掩区域，类似的机制应该以更快的速度出现。由于在较高的离子能量和密度下有较高的溅射产率，在某一点上这些束将开始腐蚀。我们推测，去除镍尖可以避免 VA-MWNTS的结束，提高 VA-MWNTS 的抗离子侵蚀能力。这种推测将在未来的实验中得到验证。

　CVD 金刚石膜比 VA-MWNTS 具有更高的抗离子侵蚀性能。然而，VA-MWNTS 比水平铺设的MWNTS 具有更强的抵抗力。我们发现，在氪离子的照射下，VA-MWNTS 在其顶端成束。镍颗粒的去除可以提高 VA-MWNTS 的抗离子侵蚀能力。除 CVD 金刚石膜外，VA-MWNTS 是另一种具有应用前景的先进推进发动机防护涂层。

　2.3 多晶金刚石 斯坦福大学的 Nathan B. Meezan,等人研究 了多晶金刚石板抗氙离子轰击溅射性能的初步评估，并首次研究了将金刚石壁集成到霍尔放电通道中[16-20] 。多晶金刚石比氮化硼具有 25%的抗溅射性能。金刚石片被集成到霍尔推力器中。与具有氮化硼壁的类似霍尔推力器相比，含金刚石的放电电流总体较低，但导致推进剂利用率稍低。然而，与氮化硼壁的情况不同，由于在较低电压下出现大震荡，金刚石壁的工作电压限制在 200V 或更高。

　值得注意的是，对于两种壁面材料情况，推力器下游时间平均离子电流的总体空间分布通常相同（见图 5）。在离出口平面 15mm 和 30mm 的范围内，离子羽流在横向（平行于 B）方向上的散度估计为 15o ，在横向（平行于 ExB）方向上的散度估计为 60 o 。纯粹基于几何参数，沿横向的较高发散度是预期的，并且是这些线性几何体所特有的特征。对于那些担心羽流对附近卫星部件（如太阳能电池板）的影响的人来说，这种强烈的横向发散可能是个问题。

　(a)

　(b) 图 5 推力器平均离子流分布（a）BN 壁面 (b) 金刚石壁面 在相同的工作电压和质量流量（250v，0.6mg/s）下，金刚石壁推力器的平均离子电流为 0.34A，推进剂利用率仅为 78%。虽然这一数值低于 BN 推力器，但金刚石推力器的总电流也要低得多：金刚石推力器的离子电流与总电流之比为 0.33，非常接近 BN 推力器，预测出类似的推力效率。以往对霍尔推力器壁面材料的研究[17]表明，改变壁面材料往往会改变总放电电流和放电功率，而对离子行为（即推力）影响不大。

　在线性推力器中预料到了这种

　行为，并且惊讶地发现金刚石通道的放电电流和离子电流都较低。这种行为有几个可能的原因。霍尔推力器中电子壁碰撞的速率及其对电子输运和能量输运的重要性取决于壁面材料的二次电子发射系数。表面粗糙度、导电性和阻止功率（电子进入晶格时的能量损失率）在确定绝缘壁对等离子体行为的影响时也很重要，特别是所谓的“近壁电子传导”。

　改变推力器中的电子传导率将改变等离子体的电子温度，改变电离率。电离区在通道中的位置也可能移动，从而改变离子束的发散。不幸的是，在能够推测钻石推力器性能背后的物理机制之前， 必须探索实验不确定的领域。值得注意的是，两个推力器通道中的气体推进剂系统非常相似，但不完全相同。金刚石推力器中的气体挡板比 BN 通道中的气体挡板更厚，更靠近阳极。事后看来，认为这些设计上的细微差异可能是显著的，并且可以解释所看到的 i-v 曲线和放电稳定性上的许多差异。计划在以后的试验中使用第二个带有 1 mm 厚 BN插入件的通道，以便在完全相同的通道配置下对两种壁面材料进行比较 这些关于金刚石与其他潜在霍尔放电室材料的相对溅射产额的实验为进一步研究将金刚石技术集成到现代霍尔推力器中可能带来的性能效益提供了动力[21] 。在霍尔推力器出口处预期的离子轰击条件下，金刚石的抗溅射性能比氮化硼高出约 25%，这一结果与文献中已有的数据一致。当集成到低功率线性几何源中时，发现：与纯氮化硼通道的情况相比，金刚石导致相对较低的总放电电流，尽管注入器几何结构的微小差异排除了直接比较。在这两种情况下，即氮化硼壁和金刚石壁的情况下，霍尔推力器产生了高度不对称的离子束剖面，其各向异性束散度分别为 15o （B 方向）和 60 o （平行于 E x B 方向）。与氮化硼壁的情况不同，由于在较低电压下出现大的震荡，金刚石壁的操作限制在 200V 或更高电压。

　2.4 纳米金刚石 nanocrystalline diamond 纳米金刚石是一种很有前途的延长使用寿命的方法。减少壁面侵蚀的第一个可能尝试是使用纳米晶体耐侵蚀材料（如金刚石）的溅射薄膜[22-23] 。在霍尔推力器壁（侵蚀影响区）上测试了多晶化学气相沉积金刚石薄膜，在不显著降低推力器性能和推力的情况下，其抗侵蚀性显著提高。显然，壁面材料的选择通过二次电子发射的变化对等离子体放电有很大的影响，因此需要更多的努力来研究这一过程的各个方面；然而，这些令人鼓舞的结果引起了人们对晶体纳米金刚石的特别关注，这可能是一个非常有前途的候选材料，解决了侵蚀寿命显著延长的问题。事实上，已经证明，生长的纳米金刚石薄膜的侵蚀系数比厚度相当的微晶金刚石薄膜的侵蚀系数大约低两个数量级。其他试验表明，在其他耐侵蚀零件出现显著侵蚀率的情况下，纳米金刚石膜不存在或可以忽略不计的侵蚀。在力学测试中，纳米金刚石涂层的使用寿命延长了一个数量级。这些对纳米金刚石的研究结果表明，需要对纳米金刚石薄膜进行广泛的实验，以降低霍尔放电室的侵蚀。应注意的是，纳米金刚石的形貌和表面条件强烈影响其摩擦学性能，而霍尔推力器本身的性能则严重依赖于壁面条件。因此，要在电推进技术中实现这种复杂的纳米材料，需要进行仔细的设计、实验和分析检查，并需要对直接在推力器放电室中的高能离子流的实际效果进行彻底的测试。然而，突破性的结果是可以预期的，推力器的效率可能会大大提高。

　更复杂的纳米材料具有良好的抗侵蚀性能[24] 。采用热丝化学气相沉积法制备了纳米金刚石涂层氮化硅陶瓷[25] 。该方法可用于提高推力器壁面抗侵蚀性，同时调整加速过程参数，如壁面电导率、粗糙度、二次发射系数等直接影响放电的参数。

　3 结论 综上所述， 由于超强的耐侵蚀能力和较高的 放电 效率，目前很有前景的霍尔推力器壁面材料是纳米金刚石，值得我们投入更多的资源进一步去研究探索。

　参考文献 [1] Mazouffre, S., Dannenmayer, K. & Pérez-Luna, J. Examination of plasma-wallinteractions in Hall effect thrusters by means of calibrated thermal imaging[J]. J. Appl. Phys. 102, 023304 (2007).

　[2] Mayrhofer, P. H., Mitterer, C., Hultman, L. & Clemens, H. Microstructural design of hard coatings[J]. Prog. Mater. Sci. 51, 1032–1114 (2006). [3] Gascon, N., Crawford, W. S., Corey, R. L. & Cappelli, M. A. Coaxial Hall thruster with diamond inner channel wall[C]. In 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf. and Exhibit, 9 July 2006, Sacramento, California. Paper AIAA 2006-4995, American Institute of Aeronautics and Astronautics (2006). [4] Auciello, O. et al. Materials science and fabrication processes for a new MEMS technology based on ultrananocrystalline diamond thin films[J]. J. Phys. Condens. Matter 16, R539–R552 (2004). [5] Podgursky, V. et al. Rippling on wear scar surfaces of nanocrystalline diamond films after reciprocating sliding against ceramic balls[J]. Tribol. Lett. 55, 493–501 (2014). [6] Auciello, O. & Sumant, A. Status review of the science and technology of ultrananocrystalline diamond (UNCD™) films and application to multifunctional devices[J]. Diam. Relat. Mater. 19, 699–718 (2010). [7]

　Sumant, A. V. et al. Ultrananocrystalline diamond film as a wear-resistant and protective coating for mechanical seal applications[J]. Tribol. Trans. 48, 24–31 (2005). [8] Konicek, A. R. et al. Influence of surface passivation on the friction and wear behavior of ultrananocrystalline diamond and tetrahedral amorphous carbon thin films[J]. Phys.

　Rev. B 85, 155448 (2012). [9] Abreu, C. S. et al. Friction and wear performance of HFCVD nanocrystalline diamond coated silicon nitride ceramics[J]. Diam. Relat. Mater. 15, 739–744 (2006). [10] Raitses, Y. et al. Effect of secondary electron emission on electron cross-field current in E×B discharges[J]. IEEE Trans. Plasma Sci. 39, 995–1006 (2011). [11] Barral, S., Zurbach S. & Dudek, M. Experimental investigation of a layered graphite/BN channel for Hall thruster[C]. In The 32nd Int. El. Prop. Conf., Wiesbaden, Germany, 11–15 September 2011. Paper 2011-Electric Rocket Propulsion Society (ERPS) (2011). [12] Barral, S., Makowski, K., Peradzynski, Z., Gascon, N. & Dudeck, M. Wall material effects in stationary plasma thrusters. II Near-wall and in-wall conductivity[J]. Phys. Plasmas 10, 4137–4152 (2003). [13] Raitses, Y., Staack, D., Dunaevsky, A. & Fisch, N. J. Operation of a segmented Hall thruster with low-sputtering carbon-velvet electrodes[J]. J. Appl. Phys. 99, 036103 (2006). [14] Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W. & Hone, J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science 320, 385–388 (2008). [15] Meezan, N. B., Gascon, N., & Cappelli, M. A. Linear geometry Hall thruster with boron nitride and diamond walls. In Proc. 27th Int. Electric Propulsion Conf., Worthington, OH, Pasadena, CA, 15–19 October 2001[C]. Paper IEPC-01-039, Electric Rocket Propulsion Society (ERPS) (2001). [16] Walker, M. Electric propulsion. Aerosp. Am. 12, 54–55 (2005)..

　[17] Tsikata, S., Honoré, C., Héron, A., Pétin, A. & Mazouffre, S. Plasma-wall interaction

　and Hall thruster microturbulence[C]. In Proc. 34th Internat. Electric Propuls. Conf., Hyogo-Kobe, Japan, 4–10 July 2010. Paper IEPC-2015-339, Electric Rocket Propulsion Society (ERPS) (2015). [18] Grimaud, L. & Mazouffre, S. Ion behavior in low-power magnetically shielded and unshielded Hall thrusters[J]. Plasma Sources Sci. Technol. 26, 055020 (2017).

　[19] Singh, L. A., Walker, M. L. R., Sanborn, G. P., Turano, S. P. & Ready, W. J. Operation of spindt-type, carbon nanotube cold cathodes in a Hall effect thruster environment[C]. In 33rd Int. El. Prop. Conf., Washington D.C., USA,6–10 October 2013. Paper IEPC-2013-348, Electric Rocket Propulsion Society (ERPS) (2013). [20] Trent, K. R., McDonald, M. S., Lobbia, R. B. & Gallimore, A. D. Time-resolved Langmuir probing of a new lanthanum hexaboride (LaB6) hollow cathode[C]. In 32nd Int. El. Prop. Conf., Wiesbaden, Germany, 11–15 September 2011. Paper IEPC-2011-245, Electric Rocket Propulsion Society (ERPS) (2011). [21] Poroykov, A. Y. et al. Nanocrystalline graphite: advanced field emission

　cathode material for a spacecraft neutralizer[C]. In 32nd Int. El. Prop. Conf., Wiesbaden, Germany, 11–15 September 2011. Paper IEPC-2011-083, Electric Rocket Propulsion Society (ERPS) (2011). [22] Levchenko, I., Beilis, I. & Keidar, M. Nanoscaled high-temperature metamaterial as an advanced heat pump and cooling media[J]. Adv. Mater. Technol. 1, 1600008 (2016). [23] Tondu, T., Chardon, J.-P. & Zurbach, S. Sputtering yield of potential ceramics for Hall effect thruster discharge channel[C]. In 32nd Int. Electric Prop. Conf., Wiesbaden, Germany, 11–15 September 2011. Paper IEPC-2011-106, Electric Rocket Propulsion

　Society (ERPS) (2011). [24] Satonik, A. J., Rovey, J. L. & Hilmas, G. Effects of plasma exposure of boron nitride ceramic insulators for Hall effect thrusters[J]. J. Propul. Power 30, 656–663 (2014). [25] Gascon, N., Dudeck, M. & Barral, S. Wall material effects in stationary plasma thrusters[J]. I. Parametric studies of SPT-100. Phys. Plasmas 10, 4123–4136 (2003).