月球车光伏玻璃表面微织构对月尘沉积量的影响

李嘉琪，李航，虞跨海，薛玉君

（河南科技大学 a.机电工程学院 b.土木工程学院 c.河南省机械设计及传动系统重点实验室，河南 洛阳 471003）

月球车作为一种能在月球登陆，并能对月球表面进行观察、分析和采样的太空探测器，是人们对月球探索的重要工具。太阳能光伏电池作为月球车的能源装置，面积较大且表面被光伏玻璃覆盖，在月球车的使用中极为重要。月球表面环境恶劣，岩石在恶劣的环境中被粉末化，在月球的表面形成一层月壤，其中，颗粒直径在1 mm 以下的被称为月尘[1]。在月球表面，月尘被扬起后会沉积在太阳能光伏电池表面，降低光伏玻璃的透光性，导致太阳能光伏电池的发电效率降低，给月球车的使用带来巨大的影响。在月球勘测任务期间，勘测者 3 号的太阳能光伏电池累积了约1 mg/cm2的月尘[2]。阿波罗14 号月球车的太阳能光伏电池在几天中沉积了约0.1 g/cm2的月尘，导致太阳能发电效率降低了2%[3]。阿波罗15 号月尘探测装置显示，月尘的沉积导致太阳能光伏电池在一年内的发电效率降低16%[4]。因此，研究月尘在月球车太阳能光伏电池表面的沉积非常重要。

目前，减少月尘在太阳能光伏电池表面沉积的方法主要有：防尘罩和防尘板，在月球车外表面加装机械装置，阻挡月尘在太阳能光伏电池表面的沉积[5-6]；喷气除尘，使用高压气流对太阳能光伏电池表面进行冲刷，去除表面沉积的月尘[7-8]；电帘除尘，在太阳能光伏电池表面安装一定规律排列的平行电极，施加一定频率的电场后，使用静电力去除沉积的月尘[9-12]。例如，在实际应用中，阿波罗号探测器使用防尘罩减少了月尘在太阳能光伏电池表面的沉积，在太阳能光伏电池不工作时，通过电动控制，使防尘罩张开，减少月尘的沉积。但这些方法在使用过程中会存在一些问题。防尘罩和阻尘板无法在太阳能光伏电池工作时使用，还会增加月球车的质量，并且容易发生机械故障。喷气除尘系统会增加月球车的质量，并且气体无法循环使用，除尘效率较低。电帘除尘技术易发生故障，并且会消耗月球车的能源，使用效果不佳。

表面自清洁技术是一种“仿生”技术，来源于自然界中的荷叶[13]。荷叶表面布满了带有柱状凸起的微结构，可以大幅度增加水和表面的接触角，具有较好的疏水性。许多学者通过刻蚀、镀膜、涂层、电镀、化学反应、喷砂等方法，在玻璃、金属上模仿荷叶表面，制备出具有一定自清洁性能的表面微结构[14-19]，用于提高表面的疏水性，这种结构也称为表面微织构。也有学者研究了表面微织构如何在干燥环境下降低灰尘沉积。PAN 等[20]使用化学涂层法在光伏玻璃表面制备出3 种具有表面微织构的薄膜，可以减少灰尘在光伏玻璃表面的沉积。WANG 等[21]在光伏玻璃表面制备出具有表面微织构的硅基超疏水薄膜和氟基超疏水薄膜，发现超疏水薄膜可以减少灰尘在光伏玻璃表面的沉积，提高发电效率。FATHI 等[22]在光伏玻璃表面制备出具有表面微结构的纳米涂层，试验后发现，纳米涂层可以减少灰尘的沉积并提高发电效率。这些研究表明，通过在玻璃表面制备出微织构可以减少灰尘的沉积。自清洁表面的制备方法主要有两种，一是表面改性，即在表面制备出涂层、镀膜等微织构；另一种是经过机械加工后再进行表面改性，即先使用机械加工制备出微织构，然后在微织构上进行表面改性。这两种方法本质上都是通过表面改性，在表面制备出微织构，同时降低表面自由能，达到自清洁的目的。但这两种方法制备的微织构的机械性能较差、容易被破坏，加工可控厚度的微织构难度较大，使用效果不佳[23]。

针对以上两种制备方法存在的问题，作者提出不使用表面改性，仅使用机械加工的方法在光伏玻璃表面制备微织构，减少月尘的沉积，提高自清洁性能，这种加工方法简单快捷，机械强度较高，结构形状可控，是自清洁表面技术研究的新方向。本文使用机械加工法在光伏玻璃表面制备出微织构，使用火山灰岩石制备模拟月尘，搭建月尘沉积试验系统，使用含表面微织构的设计试样与不含表面微织构的对比试样，进行月尘沉积试验，旨在探究工作角度、月尘量和表面微织构的结构形状，对光伏玻璃表面微织构自清洁性能的影响。

1 试验

1.1 材料

设计试样为含有表面微织构的光伏玻璃。光伏玻璃的表面微织构是特定形状、排布规律的柱状凸起（以下简称为表面微织构），包括圆形表面微织构、正方形表面微织构与正六边形表面微织构。月表环境中，月尘颗粒通常是指颗粒直径在1 mm 以下的月尘，通过对直径1 mm 以下的月尘颗粒进行筛分，其平均粒径约为70 μm，约50%的月尘颗粒直径为10～90 μm，并且月尘颗粒的形状不规则，表面粗糙度较大[24]。在制定表面微织构的设计方案时，为了减少月尘颗粒和表面微织构的接触面积，考虑柱状凸起结构的直径与间距远小于绝大部分月尘颗粒的直径，故设计微织构的尺寸在5 μm 以下。同时考虑到结构尺寸太小会增加加工难度，并且结构形状不容易控制。最终设计柱状凸起微织构最大直径为5 μm，且以5 μm的间距均匀排布。

采用离子束刻蚀技术在光伏玻璃（以下简称为玻璃）表面制备表面微织构。经过清洗及干燥后，得到8 mm×8 mm 的正方形玻璃片，中心处2 mm×2 mm 的方形区域为表面微织构，如图1 所示。设计的试样厚为1 mm，密度为2.23 g/m3，弹性系数为65 kN/mm2，努氏硬度为480。设计试样共有3 种，包括圆形柱状凸起表面微织构（以下简称为圆形试样）、正方形柱状凸起表面微织构（以下简称为正方形试样）、正六边形柱状凸起表面微织构（以下简称为正六边形试样）。

图1 设计试样照片Fig.1 Photo of the design sample

图2 为表面微织构的SEM 形貌。图3 为表面微织构侧面SEM 形貌。从图中看出，3 种柱状凸起微织构的结构形状为圆台、四棱台、六棱台。圆台顶面直径为3 μm，底面直径为5 μm；四棱台顶面边长为3 μm，底面边长为3 μm；六棱台顶面边长为1.5 μm，底面边长为3 μm。三种结构的高均为6 μm。以5 μm的间距均匀排布在玻璃表面。对比试样为不含表面微织构的光伏玻璃。对比试样材料与设计试样相同，整体为2 mm×2 mm 的方玻璃片。

图2 玻璃表面微织构的SEM 形貌Fig.2 SEM image of surface micro-texture on glass surface: a) circular; b) square; c) regular hexagonal

图3 玻璃表面微织构侧面的SEM 形貌Fig.3 SEM image of the side of surface micro-texture on glass surface

使用火山灰岩石作为模拟月尘。火山灰岩石与美国阿波罗计划采集的月尘样品组成成分与结构形状相似，故可以作为制备模拟月尘的原料[25-26]。选用直径约2 mm 的火山灰岩石，使用行星球磨机进行粉碎，得到颗粒直径在100 μm 以下的火山灰粉末。使用400目的网筛对火山灰粉末进行筛分，得到颗粒直径在38 μm 以下的火山灰粉末，作为模拟月尘进行沉积试验。图4 为模拟月尘照片。

图4 模拟月尘照片Fig.4 Photo of lunar dust simulant

图5 为模拟月尘的SEM 形貌。模拟月尘颗粒直径主要在10 μm 以上，部分颗粒直径在10 μm 以下。大部分模拟月尘颗粒的形状不规则，表面粗糙度较大。直径较大的模拟月尘颗粒表面存在棱角，呈块状。随着模拟月尘颗粒直径的减小，颗粒的长宽比逐渐降低，形状更加规则，呈粒状或球状。

图5 模拟月尘的SEM 形貌Fig.5 SEM images of lunar dust simulant

1.2 试验设备及方法

试验设备为月尘沉积试验系统，用于模拟月尘扬起与沉积的过程，对试样进行月尘沉积试验。月尘沉积试验系统的结构如图6 所示，主要由空气压缩机、油水分离器、沙盒、沉积室、可调节支架、回收装置等组成。空气压缩机为试验系统提供高速气流，将月尘扬起。油水分离器对高速气流进行干燥与净化。沙盒用来放置月尘，以便被高速气流扬起。沉积室为沉积试验提供密闭空间。可调节支架用于放置试样，并调节工作角度θ。回收装置用于回收被高速气流带走的月尘。

图6 月尘沉积试验系统结构示意图Fig.6 Schematic diagram of lunar dust deposition test system

采用对比试验的方法进行沉积试验。共进行3 种试验，分别研究同一试验环境下，工作角度、月尘量和表面微织构形状对于月尘沉积的影响，试验参数如表1 所示。沉积试验前，使用光学玻璃清洗剂和超声波清洗机对试样进行清洗，在干燥箱中进行干燥，备用；使用精密天平对月尘量进行称量，干燥后备用。沉积试验结束后，使用金相显微镜对设计试样及对比试样进行观察，并统计月尘的沉积量。

表1 月尘沉积试验参数Tab.1 Test parameters of lunar dust deposition

2 结果及分析

2.1 沉积量的评价方法

月尘沉积量定义为，在沉积试验后，工作表面沉积的月尘所覆盖的面积与工作表面总面积的比值。设计试样的工作表面为表面微织构区域，对比试样的工作表面为整个对比试样表面。在进行月尘沉积试验后，使用金相显微镜对表面微织构进行观察，如图7所示。从图7 中可以看出，深色区域为沉积的月尘，与周围无月尘沉积的区域区分明显。采用图像识别技术对工作表面沉积的月尘所占的像素个数进行统计，与工作表面所占像素总个数的比值即为月尘沉积量。

图7 沉积试验后表面微织构的金相显微镜图Fig.7 Metallographic micrograph of surface micro-texture after deposition experiment

2.2 工作角度对月尘在表面织构沉积的影响

工作角度是影响月尘沉积量的重要因素之一，在试验中选取30°、45°、60° 3 个工作角度，对试样进行月尘沉积试验，选用月尘量为3 g，其余试验条件相同。

图8、图9、图10 分别为工作角度为30°、45°、60°时，3 种结构形状表面微织构与对比试样的金相显微镜图。图中深色区域即为沉积的月尘，随着工作角度的增加，表面微织构和对比试样上沉积的月尘逐渐减少。比较表面微织构和对比试样的月尘沉积情况，不同的工作角度下，3 种形状的表面微织构上沉积的月尘都明显少于同试验条件下的对比试样，具有较强的自清洁性能。

图8 工作角度为30°时表面微织构与对比试样的金相显微形貌Fig.8 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 30°: a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e)contrast sample 2; f) contrast sample 3

图9 工作角度为45°时表面微织构与对比试样的金相显微形貌Fig.9 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 45°: a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e)contrast sample 2; f) contrast sample 3

图10 工作角度为60°时表面微织构与对比试样的金相显微形貌Fig.10 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 60°: a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1;e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

统计工作角度为30°、45°、60°下，9 次试验中，表面微织构和对比试样的月尘沉积量，并计算平均月尘沉积量，结果如表2—4 所示。在同一试验条件下，不同试验中的月尘沉积量之间存在部分偏差，这是由于试验设备所造成的偏差，但整体上每次试验中表面微织构和对比试样均处于同一试验环境中，所以表面微织构和对比试样的试验条件是完全相同的，因此可以使用平均月尘沉积量进行对比，判断表面微织构的自清洁性能。计算平均月尘沉积量时，为了减少极值的影响，去除极大值与极小值后，计算平均月尘沉积量。从表2—4 可以看出，在试验条件相同的情况下，表面微织构上沉积的月尘更少，并且3 种表面微织构中，正六边形表面微织构上的平均月尘沉积量最少，正方形表面微织构上的平均月尘沉积量最多。

表2 工作角度为30°时表面微织构和对比试样的月尘沉积量Tab.2 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 30°

表3 工作角度为45°时表面微织构和对比试样的月尘沉积量Tab.3 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 45°

表4 工作角度为60°时表面微织构和对比试样沉的月尘沉积量Tab.4 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 60°

为了探究表面微织构的自清洁性能和工作角度的关系，由表面微织构和对比试样的平均月尘沉积量，得到图11 所示的变化曲线。图中，纵轴为表面微织构月尘沉积量和对比试样月尘沉积量的比值，比值越小，说明表面微织构的自清洁性能越强。随着工作角度的增加，表面微织构的自清洁性能逐渐增强。在工作角度为60°时，3 种形状的表面微织构的自清洁性能比30°和45°时的自清洁性能好。此时，圆形表面微织构的月尘沉积量仅为对比试样的21.74%，正方形表面微织构是26.93%，正六边形表面微织构是18.64%。3 种形状的表面微织构中，正六边形表面织构的自清洁性能最强，圆形表面微织构次之，正方形表面微织构最差。

图11 不同工作角度下表面微织构和对比试样的平均月尘沉积量比值的变化情况Fig.11 Changes of the ratio of the lunar dust average deposition amount of surface micro-textures and contrast samples under different working angle

2.3 月尘量对月尘在表面织构沉积的影响

月尘量是影响月尘沉积的重要因素之一。试验中选取3、5、7 g 3 个月尘量，对试样进行月尘沉积试验，工作角度为45°，其余试验条件相同。

图12、图13、图14 分别为月尘量为3、5、7 g时，3 种结构形状表面微织构与对比试样的金相显微镜形貌。图中深色区域为沉积月尘，随着月尘量的增加，表面微织构和对比试样上沉积的月尘逐渐增加。比较表面微织构和对比试样上月尘沉积的情况，在不同的月尘量下，3 种结构形状的表面微织构上沉积的月尘均明显少于同试验条件下的对比试样，具有较强的自清洁性能。

图12 月尘量为3 g 时表面微织构与对比试样的金相显微镜图Fig.12 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 3 grams:a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

图13 月尘量为5 g 时表面微织构与对比试样的金相显微镜图Fig.13 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 5 grams:a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

图14 月尘量为7 g 时表面微织构与对比试样的金相显微镜图Fig.14 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 7 grams:a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

当月尘量为3、5、7 g 时，统计9 次试验中表面微织构和对比试样表面沉积的月尘量，并计算平均月尘沉积量，结果如表5—7 所示。从表5—7 可以看出，相同试验条件下，表面微织构上的月尘沉积量明显少于对比试样，并且正六边形表面微织构上的平均月尘沉积量最少，正方形表面微织构上的月尘沉积量最多。

表5 月尘量为3 g 时表面微织构和对比试样的月尘沉积量Tab.5 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 3 grams

表6 月尘量为5 g 时表面微织构和对比试样的月尘沉积量Tab.6 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 5 grams

表7 月尘量为7 g 下表面微织构和对比试样的月尘沉积量Tab.7 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 7 grams

为了探究表面微织构自清洁性能和月尘量的关系，对比表面微织构和对比试样的平均月尘沉积量，结果如图15 所示。随着月尘量的增加，表面微织构的自清洁性能先增强后减弱。月尘量为5 g 时，表面微织构的自清洁性能都比对比试样强。此时，圆形表面微织构的月尘沉积量为对比试样月尘沉积量的26.71%，正方形表面微织构为26.43%，正六边形表面微织构为19.24%。3 种结构形状表面微织构中，正六边形表面织构的自清洁性能最强，圆形表面微织构次之，正方形表面微织构最差。

图15 不同月尘量下表面微织构和对比试样的平均月尘沉积量的比值变化情况Fig.15 Changes of the ratio of the lunar dust average deposition amount of surface micro-textures and contrast samples under different amount of lunar dust

2.4 结构形状对月尘沉积的影响

从不同工作角度与不同月尘量的试验结果中可知，3 种结构形状的表面微织构均可以减少月尘在玻璃表面的沉积，并且正六边形表面微织构的平均月尘沉积量少于圆形和正方形表面微织构。这些试验条件相同，但并未处于同一试验环境中，可能存在偶然性，需在同一试验环境下验证月尘沉积情况。因此，将3种不同结构形状的表面微织构，置于同一沉积试验中，工作角度为45°，月尘量为3 g，重复9 次。

图16 为相同试验环境下，3 种不同结构形状的表面微织构的金相显微形貌。从图16 中可以看出，圆形表面微织构与正六边形表面微织构的月尘沉积量少于正方形表面微织构。统计9 次试验后表面微织构的月尘沉积量，并计算平均月尘沉积量，结果见表8。从表8 中可以看出，在同一试验条件下，正六边形表面微织构的平均月尘沉积量最少，圆形表面微织构次之，正方形表面微织构最多。证明3 种结构形状的表面微织构中，正六边形表面微织构的自清洁性能最好，圆形表面微织构次之，正方形表面微织构最差。

表8 表面微织构的月尘沉积量Tab.8 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture

图16 表面微织构的金相显微镜图Fig.16 Metallographic micrograph of the surface micro- texture: a) circular surface micro-texture; b) square surface microtexture; c) regular hexagonal surface micro-texture

2.5 表面微织构自清洁性能机理分析

颗粒和表面发生碰撞时，颗粒会受到来自表面的粘附力，在粘附力和自身重力的共同作用下，颗粒沉积或脱离表面。通过减少表面对颗粒的粘附力就可以减少颗粒在表面的沉积。粘附力是表面和颗粒之间互相吸引所产生的作用力，主要为范德华力和静电力[27]。对于直径在50 μm 以下的颗粒，范德华力起主导作用[28]。影响范德华力的因素包括：表面和颗粒的材料、颗粒直径、颗粒和表面的距离、颗粒和表面的接触面积等[29]。因此，在表面和颗粒不发生改变的情况下，可以在表面制备出微织构，通过减少颗粒和表面的接触面积，进而降低表面对颗粒的粘附力，使颗粒在重力和粘附力的作用下脱离玻璃表面，达到自清洁的效果。

图17 为月尘与玻璃表面接触的示意图。在沉积试验中，采用火山灰岩石制备模拟月尘，所以月尘颗粒形状不规则，表面粗糙度较大。在试验中，设计试样和对比试样是按照一定的工作角度进行放置的。由图17a 可以看出，月尘和对比试样接触时，接触面积较大，玻璃对月尘的粘附力使月尘更容易发生沉积。当月尘和表面微织构接触时，由于表面微织构中的柱状凸起直径较小，颗粒更容易与柱状凸起结构的边缘相接触，所以接触面积小于颗粒和对比试样的接触面积（图17b），因此颗粒所受的粘附力更小。所以，在重力和粘附力的作用下，颗粒更容易脱离表面微织构，从而减少月尘在表面微织构上的沉积。

图17 月尘与玻璃表面接触示意图Fig.17 Schematic diagram of contact between lunar dust and glass surface: a) contrast sample; b) surface micro-texture

从试验结果看，在不同工作角度和不同月尘量下，月尘和表面微织构的接触面积小于月尘和对比试样的接触面积，所以月尘受到来自微织构的粘附力更小。在重力和粘附力的共同作用下，月尘难以沉积在表面微织构上。随着工作角度的增加，月尘的重力对月尘沉积的影响逐渐增大，粘附力对月尘沉积的影响减弱，因此工作角度增加时，表面微织构的自清洁性能越来越强。随着月尘量的增加，月尘颗粒的数量开始增加，小直径的月尘颗粒结合为大直径的月尘颗粒，表面微织构作用减弱，月尘受到的粘附力增大。从图12—14 可知，表面微织构和对比试样上沉积的大直径月尘颗粒逐渐增多，因此表面微织构的自清洁性能出现先增强后减弱的情况。3 种结构形状的表面微织构中，尺寸相同时，正六边形表面微织构的表面积最小（图2），月尘与其的接触面积小，因此正六边形表面微织构相对于圆形和正方形表面微织构具有更强的自清洁性能。

3 结论

1）仅用机械加工的方法在光伏玻璃上制备出形状规则、排布均匀的圆形、正方形和正六边形柱状凸起表面微织构，可以减少月尘的沉积，这些微织构具有较强的自清洁性能，并且随着工作角度、月尘量的改变，表面微织构仍具有较强的自清洁性能。

2）在30°、45°、60° 3 种工作角度下，随着工作角度的增大，表面微织构的自清洁性能逐渐增强。工作角度为60°时，圆形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的21.74%，正方形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的26.92%，正六边形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的18.64%。

3）月尘量分别为3、5、7 g 时，随着月尘量的增加，表面微织构的自清洁性能先增强后减弱。月尘量为5 g 时，圆形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的26.71%，正方形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的26.43%，正六边形表面微织构的月尘沉积量为对比试样的19.24%。

4）在圆形、正方形、正六边形3 种结构形状的表面微织构中，正六边形表面微织构的自清洁性能最强，圆形表面微织构次之，正方形表面微织构最差。