李春林，辛世剛

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所特種涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200050)

星載縫隙波導(dǎo)天線熱控涂層的制備工藝*

李春林1，辛世剛2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所特種涂層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200050)

鋁合金光亮陽(yáng)極氧化型熱控涂層具有生產(chǎn)效率高、成本低、不增加產(chǎn)品重量及熱控參數(shù)穩(wěn)定可控等特點(diǎn)，正逐漸成為星載SAR天線縫隙波導(dǎo)的首選熱控涂層。文中采用硫酸光亮陽(yáng)極氧化工藝，研究了鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)星載縫隙波導(dǎo)表面熱控涂層的制備工藝流程及涂層的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該涂層能在空間環(huán)境中長(zhǎng)期可靠地工作，其熱控參數(shù)滿足整星熱設(shè)計(jì)的需求。

鋁合金縫隙波導(dǎo)；陽(yáng)極氧化；熱控涂層；半球發(fā)射率；太陽(yáng)吸收比

引 言

縫隙波導(dǎo)天線具有工作帶寬寬、效率高、隔離度高及交叉極化低等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為星載SAR天線的發(fā)展方向。在現(xiàn)階段，星載縫隙波導(dǎo)天線主要采用輕質(zhì)薄壁精密鋁合金零件組裝成一個(gè)輻射陣面，工作于外部空間環(huán)境中，其表面溫度受外部熱源(如太陽(yáng))的影響較大[1]。要避免SAR天線受外部熱源的影響，縫隙波導(dǎo)外表面的熱控設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

航天產(chǎn)品一般采用被動(dòng)熱控制技術(shù)中的熱控涂層來(lái)調(diào)節(jié)固體表面的熱輻射性能，從而達(dá)到控制溫度的目的。太陽(yáng)吸收比(αs)和半球發(fā)射率(εH)是2個(gè)重要的可控?zé)彷椛湫阅軈?shù)。物體對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收使熱量輸入航天器并使其溫度上升，而半球發(fā)射率決定了物體向空間輻射自身熱量的能力。物體表面的熱平衡溫度(T)取決于太陽(yáng)吸收比和半球發(fā)射率比值的1/4次方[2]，即T= [αsSAa/(εHσAε)]1/4(Aa為物體表面在垂直于太陽(yáng)光的平面上的投影面積，Aε為物體表面的輻射面積，S為太陽(yáng)常數(shù)，σ為斯忒潘-波爾茲曼常數(shù))。

某型號(hào)星載SAR天線縫隙波導(dǎo)材料為易釬焊的軟材質(zhì)鋁合金，該材料本體太陽(yáng)吸收比約為0.37，半球發(fā)射率約為0.15，即αs/εH≈ 2.5，在太陽(yáng)垂直照射的條件下，其表面溫度會(huì)迅速升高。為保證天線陣面在空間環(huán)境中處于一個(gè)合適的溫度范圍，使其在各種可能的情況下均能正常工作，經(jīng)熱控系統(tǒng)分析計(jì)算并結(jié)合產(chǎn)品的特點(diǎn)，縫隙波導(dǎo)外表面采用熱控涂層來(lái)適應(yīng)外部惡劣的熱環(huán)境，對(duì)涂層的太陽(yáng)吸收比和半球發(fā)射率均提出了較苛刻的指標(biāo)要求，其比值為αs/εH≈ 0.43。

1 熱控涂層的選擇

縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬典型的中空薄壁精密零件，輻射縫隙貫穿內(nèi)、外壁表面(如圖1所示)，要求內(nèi)腔表面保持良好的導(dǎo)電性而外壁表面制備涂層以滿足規(guī)定的熱控參數(shù)值。

圖1 縫隙波導(dǎo)

對(duì)比分析各類熱控涂層的性能并結(jié)合縫隙波導(dǎo)的特點(diǎn)，涂料型有機(jī)白漆或電化學(xué)型硫酸光亮陽(yáng)極氧化涂層可能是較好選擇。有機(jī)白漆空間穩(wěn)定性差，與基材結(jié)合強(qiáng)度低，會(huì)額外增加縫隙波導(dǎo)的重量，施工工藝復(fù)雜且制備成本高，一般很少采用[3]。而鋁合金硫酸光亮陽(yáng)極氧化熱控涂層具有膜層表面平整、光透過率高、抗紫外能力強(qiáng)、真空環(huán)境穩(wěn)定、膜層和基材結(jié)合牢固、對(duì)精密結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)影響、不增加零件重量且制備成本低等優(yōu)點(diǎn)，在空間環(huán)境有廣泛的應(yīng)用需求。因此選擇光亮陽(yáng)極氧化涂層作為縫隙波導(dǎo)的熱控涂層，而在該種軟材質(zhì)鋁合金材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件表面制備高性能熱控涂層在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 試樣涂層的制備

采用與縫隙波導(dǎo)同批次鋁合金作為試樣材料，外形尺寸為2 mm × 60 mm × 60 mm，加工工藝與縫隙波導(dǎo)的成形工藝相同以使二者的狀態(tài)保持一致。試樣先在丙酮中超聲除油10 min，用蒸餾水清洗，再用1 mol/L的NaOH溶液浸泡1 min，以去除鋁表面的自然氧化層，用蒸餾水清洗，然后用體積比為30%的硝酸水溶液浸泡1 min；清洗好的零件在80 ℃進(jìn)行電化學(xué)拋光，拋光液由磷酸(15%)與鉻酸(5%)配制，拋光電壓為15 V，時(shí)間為5 min，用蒸餾水清洗，電吹風(fēng)吹干；經(jīng)以上過程處理過的試樣在濃度為12%、溫度為(10±1)℃的硫酸電解液中以15 V的直流恒定電壓進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理；在100 ℃的蒸餾水中對(duì)氧化后的試樣進(jìn)行封孔。試樣制備光亮陽(yáng)極氧化涂層的工藝流程如圖2所示。試樣陽(yáng)極氧化的前處理—拋光工序?qū)ν繉拥墓鈱W(xué)性能影響較大，拋光可以進(jìn)一步降低工件表面的粗糙度，從而降低涂層的太陽(yáng)吸收比。對(duì)于縫隙波導(dǎo)類精密復(fù)雜零件的拋光，機(jī)械方式是不可行的，只有采用化學(xué)或電化學(xué)拋光?；瘜W(xué)拋光不會(huì)使零件產(chǎn)生倒角現(xiàn)象，但不能滿足光亮度的要求；而電化學(xué)拋光由于尖端放電效應(yīng)，時(shí)間稍長(zhǎng)會(huì)使零件的銳角被倒鈍。要達(dá)到結(jié)構(gòu)精度與拋光效果的最佳結(jié)合點(diǎn)，就必須采取相關(guān)工藝措施，嚴(yán)格控制拋光溶液的濃度、拋光時(shí)間等工藝參數(shù)。試樣在陽(yáng)極氧化過程中，通過對(duì)氧化電壓、溶液的濃度與溫度、氧化時(shí)間等工藝參數(shù)的精確監(jiān)控，有效控制了膜層以較低的速度生長(zhǎng)，這樣所制備的膜層致密度高，涂層的光學(xué)性能優(yōu)異。

圖2 試樣涂層制備的工藝流程

2.2 試樣涂層的性能測(cè)試

2.2.1 涂層的膜厚

利用FISCHER MP30 電渦流測(cè)厚儀測(cè)量試樣光亮陽(yáng)極氧化膜的厚度，得到的膜厚-時(shí)間關(guān)系如圖3所示。從圖3可知：隨氧化時(shí)間的增加，該材質(zhì)鋁合金在硫酸介質(zhì)中陽(yáng)極氧化后的膜厚呈線性增加；在10 ～ 60 min的范圍內(nèi)，鋁合金熱控膜的厚度基本上是線形增加的，氧化60 min時(shí)涂層的厚度達(dá)到了4.0 μm；繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，涂層的生長(zhǎng)速率降低，氧化70 min后涂層的厚度為4.2 μm。說明試樣在上述試驗(yàn)條件下延長(zhǎng)氧化時(shí)間涂層的厚度幾乎不增加。

圖3 涂層膜厚隨時(shí)間變化曲線

2.2.2 涂層的熱輻射性能

利用CARY500分光光度計(jì)，測(cè)量試樣表面光亮陽(yáng)極氧化熱控涂層在整個(gè)太陽(yáng)輻射區(qū)間(250 ～ 2 500 nm波段)的反射光譜，通過積分計(jì)算直接得出涂層的太陽(yáng)吸收比；采用AE輻射計(jì)測(cè)量光亮陽(yáng)極氧化涂層的半球發(fā)射率。

試樣經(jīng)光亮陽(yáng)極氧化后形成涂層的太陽(yáng)吸收比和半球發(fā)射率的結(jié)果如圖4所示。從圖4可知：隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層的太陽(yáng)吸收比從0.2逐漸提高到了0.3，而涂層的半球發(fā)射率從0.2提高到了0.72。形成的涂層αs/εH的比值介于0.42～1范圍內(nèi)，具有低吸輻比的熱控狀態(tài)，可以滿足整星熱設(shè)計(jì)的需求。從圖3可知，隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣表面氧化膜的厚度提高，這層膜對(duì)涂層的太陽(yáng)吸收比數(shù)值影響不大，而對(duì)涂層的半球發(fā)射率數(shù)值影響較大。

圖4 涂層的熱控參數(shù)隨時(shí)間的變化

圖5顯示了氧化60 min形成的熱控涂層在太陽(yáng)輻射區(qū)間的反射率曲線。從圖5可知：鋁合金表面的光亮陽(yáng)極氧化涂層在紫外波段的發(fā)射率較低，但會(huì)隨波長(zhǎng)的增加逐漸提高；在可見光區(qū)域涂層有一個(gè)約70%的比較穩(wěn)定的發(fā)射率；在紅外波段涂層的反射率大于80%。

圖5 涂層的反射率曲線

2.2.3 涂層的表面形貌

采用JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察陽(yáng)極氧化膜的微觀形貌，試樣氧化膜封閉前后的形貌如圖6所示。從圖6可知：在封閉前鋁合金表面形成的氧化膜是透明多孔的，具有規(guī)則的六邊形結(jié)構(gòu)，孔的尺寸在30～40 nm范圍內(nèi)，這些微孔將使光線通過涂層時(shí)發(fā)生散射而損失一些能量，從而使涂層的太陽(yáng)吸收比加大；氧化膜經(jīng)熱水封閉以后，無(wú)機(jī)鹽均勻填充在各微孔內(nèi)而呈封閉狀態(tài)。試樣經(jīng)陽(yáng)極氧化后的表面形貌類似于純鋁材料表面陽(yáng)極氧化膜，沒有合金元素溶解形成的缺陷，這種結(jié)構(gòu)有利于提高陽(yáng)極氧化膜的致密性。

圖6 光亮陽(yáng)極氧化膜的表面形貌

2.2.4 涂層的耐濕熱性能

取5件試樣，利用濕熱老化箱研究涂層的耐濕熱性能。實(shí)驗(yàn)條件為溫度50 ℃，相對(duì)濕度95%，經(jīng)過48 h的濕熱試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)涂層起皮、鼓泡及脫落等缺陷，這說明該材質(zhì)鋁合金光亮陽(yáng)極氧化熱控涂層致密，對(duì)鋁合金基材具有較好的防護(hù)效果。

2.2.5 涂層的冷熱交變

冷熱交變?cè)囼?yàn)是先將測(cè)試樣品浸泡在液氮中，然后迅速取出放入高溫烘箱內(nèi)，經(jīng)100次循環(huán)后，觀察涂層與基材的結(jié)合性能。取5件試樣進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，在正常大氣壓下，涂層經(jīng)過溫度為-196 ℃(液氮、2 min)←→(+100 ± 5) ℃(10 min)的100次熱循環(huán)后，試樣涂層外觀完好，無(wú)起泡、起皮、脫落等現(xiàn)象。

利用膠帶提拉法考核試樣經(jīng)冷熱交變后的涂層與基體的粘結(jié)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中采用3M膠帶粘貼在試樣表面(如圖7所示)，然后垂直向上將膠帶拉起。在此過程中涂層未發(fā)生脫落，這說明涂層與基材具有較好的結(jié)合強(qiáng)度。

圖7 3M膠帶粘結(jié)試驗(yàn)

2.2.6 涂層耐真空-紫外輻照性能

采用真空-紫外輻照設(shè)備，研究鋁合金表面光亮陽(yáng)極氧化熱控涂層的耐真空-紫外輻照性能，試驗(yàn)過程的真空度為1.0 × 10-3Pa，使用3倍的加速劑量，累計(jì)輻照劑量為14 902 ESH(當(dāng)量太陽(yáng)小時(shí))。紫外輻射雖然在總電磁輻射能中所占比例很小， 但由于光子能量高， 會(huì)對(duì)航天器熱控涂層的熱輻射性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致熱控失效，縮短其在軌使用壽命。

在真空度≤1.0 × 10-3Pa、加速因子為3的紫外輻照劑量條件下，對(duì)試樣涂層進(jìn)行真空-紫外輻照試驗(yàn)。在輻照過程中，按不同輻照劑量將試樣取出，測(cè)量熱控涂層太陽(yáng)吸收比的變化。試驗(yàn)中真空紫外輻照累積劑量為14 902 ESH，表1列出了試樣經(jīng)紫外輻照試驗(yàn)后涂層太陽(yáng)吸收比的變化情況。

表1 真空-紫外輻照后涂層太陽(yáng)吸收比的變化

注：輻照前即輻照劑量為0 ESH時(shí)，1#涂層和2#涂層的太陽(yáng)吸收比分別為0.282和0.284。

從表1可知：經(jīng)過1 020 ESH輻照試驗(yàn)后，試樣涂層的太陽(yáng)吸收比有所提高，太陽(yáng)吸收比的變化為0.007～0.008；經(jīng)歷4 224 ESH輻照后，涂層太陽(yáng)吸收比的變化為0.013～0.014；而后增加紫外輻照劑量，涂層太陽(yáng)吸收比的變化值幾乎不變。經(jīng)14 902 ESH輻照試驗(yàn)后，樣品外觀完好，涂層太陽(yáng)吸收比的平均變化量為0.016，說明該涂層具有很好的耐真空-紫外輻照性能，可長(zhǎng)期在空間中穩(wěn)定工作。

2.2.7 涂層耐真空-電子/質(zhì)子輻照性能

采用綜合輻照的方法研究試樣涂層的耐真空-電子/質(zhì)子輻照性能，試驗(yàn)中電子能量為50 keV，總通量為1.6 × 1016e/cm2，通量密度為3.0 × 1011e/(cm2·s)；質(zhì)子能量為50 keV，總通量為1.6 × 1014p/cm2，通量密度為3.0 × 109e/(cm2·s)。

試樣經(jīng)過累計(jì)通量1.6 × 1016e/cm2的電子輻照和3.0 × 1014p/cm2的質(zhì)子輻照后，涂層太陽(yáng)吸收比和質(zhì)量的變化情況見表2。輻照后涂層太陽(yáng)吸收比的平均變化為0.005，質(zhì)量損失為0。

表2 試樣涂層耐電子、質(zhì)子輻照性能

2.3 試樣涂層的討論

熱控涂層處于空間環(huán)境中，會(huì)受到空間溫度劇烈變化、真空-紫外輻照粒子、真空-電子/質(zhì)子輻照粒子的影響，其熱輻射性能會(huì)發(fā)生褪變。為驗(yàn)證鋁合金光亮陽(yáng)極氧化型熱控涂層在外空間的適應(yīng)能力，對(duì)試樣進(jìn)行了各類空間環(huán)境模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明該涂層具有較好的空間穩(wěn)定性，滿足使用需求。

3 縫隙波導(dǎo)表面熱控涂層的制備

圖1所示的縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為避免在工件內(nèi)壁形成不導(dǎo)電的氧化膜，在進(jìn)行陽(yáng)極氧化前，需設(shè)計(jì)制作專門的保護(hù)工裝對(duì)內(nèi)腔進(jìn)行密封防護(hù)。保護(hù)工裝采用高柔性、高彈性和耐腐蝕的非金屬材料，與波導(dǎo)各縫槽緊密配合(不得使工件變形)，以防止陽(yáng)極氧化過程中溶液滲入波導(dǎo)內(nèi)腔導(dǎo)致工件燒傷和腐蝕等。縫隙波導(dǎo)采用圖2所示的工藝流程制備的光亮陽(yáng)極氧化熱控涂層，同槽試樣檢測(cè)表明，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在軟材質(zhì)鋁合金縫隙波導(dǎo)上制備了光亮陽(yáng)極氧化型熱控涂層，其膜層厚度約為4.0 μm，太陽(yáng)吸收比和半球發(fā)射率均滿足指標(biāo)要求。涂層表面致密，色澤均勻，膜層無(wú)疏松、氣泡、裂紋、起皮、脫落及腐蝕斑點(diǎn)等，且波導(dǎo)內(nèi)腔無(wú)陽(yáng)極氧化膜、無(wú)燒蝕等缺陷。涂層具有優(yōu)異的耐濕熱、耐冷熱交變的能力，經(jīng)真空-紫外輻照、真空-電子/質(zhì)子輻照等模擬空間環(huán)境考核，其性能指標(biāo)基本無(wú)變化。制備該涂層的工藝成熟穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。制件合格率達(dá)100%，已在多個(gè)星載SAR型號(hào)天線縫隙波導(dǎo)中作為熱控涂層得到成功應(yīng)用。

[1] 范含林. 航天器熱控材料的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 宇航材料工藝, 2007(6): 7-10.

[2] 閔佳榮, 江經(jīng)善. 衛(wèi)星熱控制技術(shù)[M]. 北京: 宇航出版社, 1991.

[3] 童靖宇，王吉輝， 李金洪. 溫控白漆原子氧、紫外綜合環(huán)境效應(yīng)退化影響初步研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2003, 20(4): 19-24.

李春林(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事工藝總體研究與設(shè)計(jì)工作。

Preparation Process of Thermal Control Coating on Space-borne Slot Waveguide Antenna

LI Chun-lin1，XIN Shi-gang2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China；2.TheKeyLibraryofInorganicCoatings,ShanghaiInstituteofCeramic,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China)

The aluminum alloy bright anodic oxidation thermal control coating characterized by high productive efficiency, low cost, low weight and stable thermal control properties is becoming gradually the first choice of the thermal control coating for space-borne SAR antenna slot waveguide. The preparation process and test methods of the thermal control coating on aluminum alloy space-borne slot waveguide with complex structure by bright anodic oxidation in a sulphuric acid solution are introduced in this paper. The results show that the thermal control coating possesses a high stability in the space environment and its thermal control properties meet the thermal design requirement of the whole satellite.

aluminum alloy slot waveguide; anodic oxidation; thermal control coating; hemispherical emmitance; solar absorptance

2015-10-26

V443

A

1008-5300(2016)01-0040-04