張 杭 張家強(qiáng) 崔慶新 白晶瑩 張立功
(北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京 100190)
文 摘 采用自制新型無(wú)機(jī)白色填料、無(wú)機(jī)黏結(jié)劑制備了高穩(wěn)定無(wú)機(jī)熱控涂層。對(duì)熱控涂層的厚度、面密度、熱輻射性能、真空揮發(fā)性、熱循環(huán)性能、空間環(huán)境穩(wěn)定性(真空-紫外、真空-質(zhì)子、真空-電子、原子氧)及多種基材的適應(yīng)性進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證。結(jié)果表明:新型無(wú)機(jī)熱控涂層的太陽(yáng)吸收比≤0.07、半球發(fā)射率≥0.90、面密度200~360 g∕m2,經(jīng)過(guò)地面模擬空間環(huán)境試驗(yàn)后涂層的太陽(yáng)吸收比退化量較小,具有優(yōu)異的空間環(huán)境穩(wěn)定性,適用于多種基材表面。
航天器的熱控設(shè)計(jì)是航天器重要的設(shè)計(jì)之一,通過(guò)合理的熱控設(shè)計(jì)保證航天器的結(jié)構(gòu)部件、儀器設(shè)備在空間環(huán)境中處于正常的工作溫度內(nèi),滿足使用要求。熱控涂層是航天器熱控技術(shù)中重要的手段,在空間真空環(huán)境下,通過(guò)選取不同太陽(yáng)吸收比(αS)和紅外發(fā)射率(εH)的熱控涂層調(diào)節(jié)航天器及儀器設(shè)備的表面溫度[1-5]。涂料型熱控涂層憑借其成本經(jīng)濟(jì)、可大面積施工、可在各種曲面及復(fù)雜形狀表面施工的優(yōu)點(diǎn)成為各種長(zhǎng)壽命航天器大型輻射散熱器等表面的首選熱控涂層[2]。美國(guó)NASA 在20世紀(jì)60年代以ZnO 為填料、硅酸鉀為黏結(jié)劑發(fā)展了牌號(hào)Z93、LO-1、S13G 等一系列無(wú)機(jī)熱控涂層,具有低αS∕εH比值和較好的空間穩(wěn)定性能[6-10]。國(guó)內(nèi)中科院上海有機(jī)所、上海硅酸鹽所、北京衛(wèi)星制造廠有限公司等單位在此基礎(chǔ)上研制的SR107、SR107-ZK、KSZ、KS-ZT 等白色熱控涂層在很多型號(hào)衛(wèi)星上成功應(yīng)用。隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展,我國(guó)后續(xù)高功率、長(zhǎng)壽命、高精度航天器對(duì)熱控涂層的熱控性能指標(biāo)及空間環(huán)境穩(wěn)定性提出了更高的要求。目前我國(guó)常用的白色散熱型熱控涂層的熱控性能,特別是太陽(yáng)吸收比及其在軌退化問(wèn)題已經(jīng)難以滿足長(zhǎng)壽命、高功率衛(wèi)星的熱設(shè)計(jì)要求[11-12]。
本文以自制白色防靜電粉體為涂層填料,研制了無(wú)機(jī)防靜電白漆熱控涂層,對(duì)涂層的熱輻射性能、厚度、熱循環(huán)性能、真空揮發(fā)性、真空-紫外輻照、真空-電子輻照、真空-質(zhì)子輻照、原子氧等性能進(jìn)行測(cè)試分析。
新型無(wú)機(jī)白色填料,自制;無(wú)機(jī)黏結(jié)劑,自制;去離子水,自制。
將新型無(wú)機(jī)白色填料、無(wú)機(jī)黏結(jié)劑和去離子水按一定比例混合,球磨分散后得到涂料,通過(guò)空氣噴涂工藝方法在鋁合金等基材表面制備涂層試樣,室溫放置一段時(shí)間后高溫烘烤固化后完成涂層制備。
按照QJ 990.3A—2011 規(guī)定的方法測(cè)試涂層的厚度;按照GJB 2502.2—2015 規(guī)定的方法測(cè)試涂層的太陽(yáng)吸收比;按照GJB 2502.3—2015 規(guī)定的方法測(cè)試涂層的半球發(fā)射率;按照GB∕T 1410—2006 的規(guī)定的方法測(cè)試涂層的體積電阻率;按照QJ 1558B—2016 規(guī)定的方法測(cè)試涂層的真空揮發(fā)性;按照GJB 2502.8—2015 規(guī)定的方法測(cè)試涂層的熱循環(huán)性能;按照GJB 2502.5—2015 規(guī)定的方法測(cè)試涂層的真空-紫外輻照性能;按照GJB 2502.6—2015規(guī)定的方法測(cè)試涂層的真空-質(zhì)子輻照性能;按照GJB 2502.7—2015規(guī)定的方法測(cè)試涂層的真空-電子輻照性能;按照GJB 2704A—2006 規(guī)定的方法測(cè)試涂層其他的相關(guān)性能。
鋁合金基材表面厚度120 μm 以上的無(wú)機(jī)熱控涂層的太陽(yáng)吸收比和半球發(fā)射率如表1所示。
表1 熱控涂層熱輻射性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test of thermal radiation properties of thermal control coatings
由表1 可以看出熱控涂層太陽(yáng)吸收比在0.06~0.07,半球發(fā)射率在0.90~0.91,具有極低的太陽(yáng)吸收比和高半球發(fā)射率。
鋁合金基材表面一定厚度的無(wú)機(jī)熱控涂層的厚度和面密度關(guān)系如表2所示。從結(jié)果可以看出,熱控涂層的厚度在170~190 mm時(shí),涂層的面密度在260~300 g∕m2,根據(jù)實(shí)際使用情況可進(jìn)行一定程度的外推。
表2 熱控涂層厚度及面密度測(cè)試Tab.2 Thickness test and area density of thermal control coating
鋁合金基材表面厚度約120 μm 的無(wú)機(jī)熱控涂層的體積電阻率如表3所示。從結(jié)果可以看出,熱控涂層的體積電阻率滿足小于107Ω·m 的防靜電指標(biāo)要求,具有良好的防靜電性能。
表3 涂層體積電阻率測(cè)試結(jié)果Tab.3 Volume resistivity test of thermal control coating
熱控涂層的真空揮發(fā)性測(cè)試結(jié)果如表4所示。
表4 熱控涂層真空揮發(fā)性測(cè)試結(jié)果Tab.4 Vacuum volatility test of thermal control coating
從結(jié)果可以看出,無(wú)機(jī)熱控涂層滿足總質(zhì)量損失TML不大于1%,可凝揮發(fā)物不大于0.1%的質(zhì)量要求。
采用遠(yuǎn)紫外(110~200 nm)+近紫外(200~400 nm)綜合輻照試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表5 熱控涂層真空-紫外輻照試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Vacuum-ultraviolet test of thermal control coating
熱控涂層太陽(yáng)吸收比輻照劑量的增加,涂層的太陽(yáng)吸收比先逐漸升高,再趨于平緩,最后穩(wěn)定。在0~1 500 ESH,涂層受紫外輻照影響產(chǎn)生了吸收色心等缺陷,太陽(yáng)吸收比升高明顯,在2 000~5 000 ESH,涂層產(chǎn)生的缺陷逐漸飽和,太陽(yáng)吸收比趨于穩(wěn)定。涂層太陽(yáng)吸收比經(jīng)5 000 ESH 真空-紫外輻照后太陽(yáng)吸收比的變化小于0.05。輻照前后涂層的半球發(fā)射率幾乎沒(méi)有變化。
鋁合金基材表面厚度120 μm 以上的熱控涂層真空-電子輻照后再測(cè)試真空-質(zhì)子輻照性能,結(jié)果如表6和表7所示。
表6 熱控涂層真空-電子輻照試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Vacuum-electron test of thermal control coating
表7 熱控涂層真空-質(zhì)子輻照試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Vacuum-proton test of thermal control coating
熱控涂層太陽(yáng)吸收比隨輻照劑量的增加,涂層的太陽(yáng)吸收比逐漸升高,經(jīng)過(guò)真空-電子與真空質(zhì)子綜合輻照后,涂層的太陽(yáng)吸收比增加了0.13,輻照前后涂層的半球發(fā)射率幾乎沒(méi)有變化。
鋁合金基材表面厚度120μm 以上的熱控涂層,的耐原子氧性能結(jié)果如表8所示。
表8 熱控涂層原子氧試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Atomic oxygen test of thermal control coating
結(jié)果顯示,熱控涂層經(jīng)原子氧試驗(yàn)后太陽(yáng)吸收比變化0.02 左右,半球發(fā)射率基本不變。在原子氧試驗(yàn)初期太陽(yáng)吸收比有少許變化,之后隨著劑量的增加太陽(yáng)吸收比保持不變,涂層總質(zhì)損1 mg左右,說(shuō)明熱控涂層具有優(yōu)異的耐原子氧性能。
采用涂料為原料,按照噴涂工藝和固化工藝要求,在2A12、3A21、6063、5A90、5A06 鋁合金、TC4 鈦合金、鎂合金鍍鎳、鋁合金結(jié)構(gòu)板、CFRP 等基材表面制備了熱控涂層,按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了300 次∕-196~200 ℃的熱循環(huán)試驗(yàn)后試片狀態(tài)如圖1所示。
圖1 熱控涂層熱循環(huán)試驗(yàn)后外觀Fig.1 Appearance of thermal control coating after thermal cycle test
經(jīng)測(cè)試熱循環(huán)試驗(yàn)后,所有基材表面的熱控涂層試片外觀完好,與基材結(jié)合牢固,涂層無(wú)開裂、不起皮、不起泡、不脫落;涂層太陽(yáng)吸收與半球發(fā)射率的變化小于0.02。
在結(jié)構(gòu)板、遮光罩、輻射器、CFRP 天線等典型樣件表面進(jìn)行了噴涂施工,如圖2~圖5所示,對(duì)同批熱控涂層試片的性能進(jìn)行測(cè)試,無(wú)機(jī)熱控涂層熱輻射性能穩(wěn)定性良好,工藝穩(wěn)定。
圖2 行波管輻射器噴涂熱控涂層Fig.2 Thermal control coating on TWT radiator
圖5 輻射器(2 m×1.5 m)表面噴涂熱控涂層Fig.5 Thermal control coating on large radiator
圖3 遮光罩外表面噴涂熱控涂層Fig.3 Thermal control coating on lens hood
圖4 CFRP天線表面噴涂熱控涂層Fig.4 Thermal control coating on CFRP antenna
新型無(wú)機(jī)熱控涂層適用于多種基材表面,涂層厚度120~200 μm,具有極低的太陽(yáng)吸收比0.06~0.07 和高半球發(fā)射率0.90~0.91,經(jīng)過(guò)地面模擬真空-紫外、真空-電子、真空質(zhì)子、原子氧試驗(yàn)后,涂層的太陽(yáng)吸收比總退化量為0.20,具有優(yōu)異的空間環(huán)境穩(wěn)定性,經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證適用于各類衛(wèi)星的長(zhǎng)壽命高可靠產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)要求,具備廣闊的應(yīng)用前景。