程德，王景潤(rùn)，覃業(yè)深，趙瀲景，郭中增，王旭光，白晶瑩，李思振

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

光學(xué)構(gòu)件表面的雜散光會(huì)干擾光學(xué)相機(jī)、星敏感器對(duì)正常光學(xué)信號(hào)的捕捉，從而影響到航天器光學(xué)成像的質(zhì)量以及姿軌控精度[1-2]。為消除內(nèi)部光線的漫反射等雜散光的影響，光學(xué)相機(jī)、星敏感器等光學(xué)構(gòu)件表面應(yīng)鍍覆黑色等具有高吸收率的消雜光功能涂鍍層。

作為航天器光學(xué)構(gòu)件的關(guān)鍵材料之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)消雜光功能涂鍍層開展了大量研究[3-13]。英國(guó)公司開發(fā)的Super Black 涂層和Vanta Black 涂層的太陽(yáng)吸收比αs>0.99，俄羅斯開發(fā)的AK-512 涂層、AK-243 涂層以及美國(guó)公司開發(fā)的Marting Black 涂層、J-black涂層等也實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。我國(guó)航天器光學(xué)構(gòu)件應(yīng)用的多為進(jìn)口消雜光涂層產(chǎn)品，涂層αs約為0.97。在航天器光學(xué)構(gòu)件消雜光技術(shù)研究方面，國(guó)內(nèi)單位以北京衛(wèi)星制造廠有限公司、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所等單位為主，消雜光技術(shù)主要包括鋁合金超黑陽(yáng)極氧化、電鍍黑鎳、黑銅以及黑色熱控涂層等，αs為0.92～0.97。

基于型號(hào)研制需求，本項(xiàng)目組開展了BN-1 鍍層制備技術(shù)研究，以解決航天器光學(xué)構(gòu)件表面導(dǎo)電消光表面處理的需求，BN-1 鍍層αs>0.98，接觸電阻<5 mΩ，應(yīng)用狀態(tài)良好。本文對(duì)BN-1 鍍層的微觀結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電消光性能進(jìn)行了表征，并針對(duì)航天器近地軌道環(huán)境中存在的大量原子氧以及高真空下的紫外輻照對(duì)鍍層性能的影響開展了BN-1 鍍層空間抗輻照性能測(cè)試，從而判斷BN-1 鍍層的空間環(huán)境穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 BN-1 鍍層試樣制備

BN-1 鍍層采用微納刻蝕的方法在化學(xué)鍍層表面制備微納消光結(jié)構(gòu)，在具備超高吸收性能的前提下，保留鍍層的導(dǎo)電性。BN-1 為鍍層代號(hào)。

試驗(yàn)樣品為鋁合金試片，牌號(hào)為2A12T4，規(guī)格為40 mm×40 mm×2 mm。按照工藝流程“有機(jī)溶劑除油→堿洗→酸洗→浸鋅→鍍層制備→微納刻蝕”，制備BN-1 導(dǎo)電消光鍍層。其中有機(jī)溶劑除油為無(wú)水乙醇擦拭除油；堿洗溶液為15～25 g/L 的氫氧化鈉溶液，溶液溫度為70～80℃，堿洗時(shí)間為60～90 s；酸洗溶液為300～400 g/L 的硝酸溶液，溶液溫度為常溫，酸洗時(shí)間為60～120 s；浸鋅溶液組分為氫氧化鈉110～120 g/L、氧化鋅 20～25 g/L、硝酸鈉 1～2 g/L、酒石酸鉀鈉20～25 g/L，溶液溫度為常溫，浸鋅時(shí)間為30～60 s。通過鍍覆后刻蝕獲得具有毛絨狀“光陷阱”的微納尺度導(dǎo)電消光鍍層結(jié)構(gòu)，所得導(dǎo)電消光鍍層厚度為10～15 μm。

1.2 測(cè)試分析方法

鍍層微觀形貌通過ZEISS SUPER 55VP 型SEM觀察。三維形貌通過VK-X200 激光3D 顯微鏡進(jìn)行表征。采用INCA 能譜儀半定量分析鍍層元素含量。

鍍層導(dǎo)電性能采用接觸電阻測(cè)試儀按照QJ 1827《低阻值金屬鍍覆層和化學(xué)轉(zhuǎn)換膜層接觸電阻測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)量。

鍍層消光性能采用太陽(yáng)吸收比αs進(jìn)行表征，αs是吸收與入射的太陽(yáng)輻射能通量之比，采用UV3100 分光光度計(jì)測(cè)試，測(cè)試方法按照GJB 2502.2—2006《航天器熱控涂層試驗(yàn)方法 第2 部分：太陽(yáng)吸收比測(cè)試》執(zhí)行。

輻照試驗(yàn)測(cè)試試樣耐原子氧和真空-紫外輻照情況，按照GJB 2502 的規(guī)定執(zhí)行，具體試驗(yàn)條件如下。

1）原子氧輻照試驗(yàn)條件：真空度優(yōu)于1.3×10–3Pa；輻照總通量為 2.0×1021atoms/cm2，通量為 5.0×1015atoms/(cm2·s)，加速因子為5。測(cè)試輻照前后鍍層的αs。

2）真空-紫外輻照試驗(yàn)條件：真空度優(yōu)于1.3×10–3Pa，輻照劑量為5000 ESH（當(dāng)量太陽(yáng)小時(shí)），加速因子為5。測(cè)試輻照前后鍍層的αs。

2 結(jié)果及分析

2.1 BN-1 鍍層的微觀形貌及元素組成

BN-1 鍍層的外觀如圖1 所示，為均勻的深黑色。BN-1 鍍層刻蝕前后的微觀SEM 形貌如圖2 所示?？梢钥闯?，鍍層刻蝕前為致密的胞狀結(jié)構(gòu)，刻蝕后鍍層表面均布大量微小的絨毛狀結(jié)構(gòu)，絨毛結(jié)構(gòu)介于微米與納米尺度之間。BN-1 鍍層刻蝕前后的三維光學(xué)微觀形貌如圖3 所示。鍍層刻蝕后表面粗糙，鍍層結(jié)構(gòu)與SEM 照片結(jié)果基本一致。BN-1 鍍層刻蝕前后的元素組成如圖4 所示?？涛g前，鍍層以Ni、P 元素為主要成分；刻蝕后，鍍層中除了Ni、P 元素外，還出現(xiàn)了O 元素，說明刻蝕后形成了一定量的Ni、P 氧化物。由此推斷出，BN-1 鍍層所具有的微納尺度絨毛狀“光陷阱”結(jié)構(gòu)，是鍍層具備超高吸收消雜光性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，而氧化物的出現(xiàn)為鍍層實(shí)現(xiàn)超高吸收消雜光提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 BN-1 鍍層外觀Fig.1 Photos of BN-1 coating

圖2 BN-1 鍍層微觀形貌Fig.2 SEM images of BN-1 coating: a) before etching; b) after etching

圖3 BN-1 鍍層光學(xué)3D 微觀形貌Fig.3 3D optic images of BN-1 coating: a) before etching; b) after etching

圖4 BN-1 鍍層成分Fig.4 Element composition of BN-1 coating: a) before etching; b) after etching

2.2 BN-1 鍍層的導(dǎo)電消光性能

10 個(gè)批次連續(xù)生產(chǎn)的BN-1 鍍層的接觸電阻測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可以看出，鍍層接觸電阻為2～3 mΩ，能夠滿足多數(shù)光學(xué)構(gòu)件對(duì)鍍層導(dǎo)電性能的需求。鍍層接觸電阻的測(cè)試數(shù)據(jù)隨鍍層批次變化不大，說明用鍍層刻蝕法制備的超高吸收導(dǎo)電消光鍍層的接觸電阻穩(wěn)定性好，工藝穩(wěn)定性較高。

圖5 BN-1 鍍層接觸電阻批次穩(wěn)定性Fig.5 Stability of batches of BN-1 coating contact resistance

200～2500 nm 波段BN-1 鍍層的吸收率變化如圖6 所示，10 個(gè)批次連續(xù)生產(chǎn)的BN-1 鍍層的αs測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。由圖6、圖7 可以看出，鍍層αs>0.98，且隨鍍層批次變化不大。這說明鍍層刻蝕法制備的BN-1 鍍層的消光性能穩(wěn)定性好，工藝穩(wěn)定性較高。

圖6 BN-1 鍍層的吸收率變化光譜Fig.6 Absorption spectrum of the BN-1 coating

圖7 BN-1 鍍層太陽(yáng)吸收比批次穩(wěn)定性Fig.7 Stability of batches of BN-1 coating solar absorption ratio

2.3 空間輻照環(huán)境對(duì)BN-1 鍍層的影響

2.3.1 原子氧對(duì)BN-1 鍍層性能的影響

在航天器低軌道環(huán)境中，氧氣在紫外等作用下能夠電離為具有極強(qiáng)氧化能力和高速碰撞能量的原子氧。原子氧對(duì)材料表面的高溫氧化、高速撞擊伴隨著提取、添加、置換、析出、嵌入等過程，會(huì)使大部分有機(jī)材料含有的C、H、O、N、S 分子鍵發(fā)生斷裂，生成CO、CO2、水蒸氣等氣相揮發(fā)物，造成材料質(zhì)損、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)等性能參數(shù)退化，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，影響航天器的正常運(yùn)行[14-20]。BN-1 鍍層是具有超高吸收性能的無(wú)機(jī)熱控鍍層，為了滿足航天器長(zhǎng)壽命服役要求，有必要對(duì)其耐原子氧性能進(jìn)行考察。

原子氧試驗(yàn)前后鍍層的外觀狀態(tài)如圖8 所示。圖8 表明，原子氧試驗(yàn)后，BN-1 鍍層狀態(tài)良好，為均勻的深黑色，未發(fā)現(xiàn)起皮、開裂、脫落等現(xiàn)象。原子氧試驗(yàn)后鍍層的微觀形貌如圖9 所示。從SEM 照片可以看出，原子氧輻照后，鍍層的絨毛狀消光結(jié)構(gòu)完好，沒有脫落退化的跡象。BN-1 鍍層原子氧暴露前后的吸收率變化光譜見圖10。BN-1 鍍層原子氧實(shí)驗(yàn)前后αs的變化見表1。由上述結(jié)果可知，隨著輻照劑量的增加，BN-1 鍍層的αs逐漸降低，降速由快變慢，從0.9830 下降至0.9781，Δαs=0.0049。原子氧輻照前后BN-1 鍍層αs變化值不超過0.01，說明BN-1 鍍層性能相對(duì)穩(wěn)定，具有較好的耐原子氧性能。這是由于BN-1 鍍層是由無(wú)機(jī)Ni、P 及其氧化物形成的鍍層，在原子氧輻照實(shí)驗(yàn)中性質(zhì)穩(wěn)定，原子氧不會(huì)對(duì)Ni、P及其氧化物造成明顯的物理、化學(xué)性質(zhì)改變。

圖8 原子氧輻照前后BN-1 鍍層外觀狀態(tài)Fig.8 Appearance state of the BN-1 coating before and after AO exposure: a) before AO exposure; b) after AO exposure

圖9 原子氧輻照后BN-1 鍍層微觀形貌Fig.9 SEM images of BN-1 coating after AO exposure

圖10 BN-1 鍍層原子氧輻照過程的吸收率變化光譜Fig.10 Absorption spectrum of the BN-1 coating during AO exposure

表1 BN-1 鍍層原子氧暴露前后的αs 變化Tab.1 αs value of the BN-1 coating before and after AO exposure

2.3.2 真空-紫外輻照對(duì)BN-1 鍍層性能的影響

在航天器的真空軌道環(huán)境中，雖然紫外光占太陽(yáng)輻射總能量的百分比較小，但是真空-紫外輻照是造成航天器熱控涂層老化變色、光學(xué)性能下降的重要原因[21-25]?；诤教炱鏖L(zhǎng)壽命服役方面的考慮，有必要對(duì)其耐真空-紫外性能進(jìn)行研究。

真空-紫外輻照試驗(yàn)前后鍍層的外觀狀態(tài)如圖11所示。圖11 表明，真空-紫外輻照試驗(yàn)后，BN-1 鍍層狀態(tài)良好，為均勻的深黑色，未發(fā)現(xiàn)起皮、開裂、脫落等現(xiàn)象。從真空-紫外輻照試驗(yàn)后鍍層的SEM 照片（見圖12）可以看出，真空-紫外輻照后，鍍層的絨毛狀消光結(jié)構(gòu)完好，沒有脫落退化的跡象。圖13給出了BN-1 鍍層真空-紫外暴露前后的吸收率變化光譜圖。BN-1 鍍層真空-紫外實(shí)驗(yàn)前后αs的變化見表2。由上述結(jié)果可知，在輻照的不同階段，BN-1 鍍層的αs較為穩(wěn)定。當(dāng)輻照劑量達(dá)到5000 ESH 時(shí)，BN-1 鍍層αs出現(xiàn)輕微上升。紫外輻照前后，BN-1 鍍層的αs從0.9823 增加至0.9832，Δαs<0.01，說明BN-1 鍍層性能相對(duì)穩(wěn)定，具有較好的抗紫外輻照性能。這也說明由無(wú)機(jī)Ni、P 及其氧化物形成的BN-1 鍍層，在真空-紫外輻照實(shí)驗(yàn)中性質(zhì)穩(wěn)定，真空-紫外輻照不會(huì)對(duì)Ni、P 及其氧化物造成明顯的物理、化學(xué)性質(zhì)改變。

圖11 真空-紫外輻照前后BN-1 鍍層外觀狀態(tài)Fig.11 Appearance state of the BN-1 coating before and after VUV irradiation: a) before VUV irradiation; b) after VUV irradiation

圖12 真空-紫外輻照后BN-1 鍍層的微觀形貌Fig.12 SEM images of BN-1 coating after VUV irradiation

圖13 真空-紫外輻照前后BN-1 鍍層的吸收率變化光譜Fig. 13 Absorption spectrum of BN-1 coating before and after VUV irradiation

表2 真空紫外輻照前后BN-1 鍍層的αs 變化Tab.2 αs value of BN-1 coating before and after VUV irradiation

3 結(jié)論

本研究對(duì)BN-1 鍍層進(jìn)行了微觀形貌、導(dǎo)電消光性能、原子氧及真空-紫外輻照模擬試驗(yàn)。通過分析，得出以下結(jié)論：

1）BN-1 鍍層通過刻蝕在化學(xué)鍍層表面獲得了微納尺度的絨毛狀消光結(jié)構(gòu)，αs>0.98，鍍層接觸電阻<5 mΩ，具有優(yōu)異的導(dǎo)電消光性能。

2）BN-1 鍍層的αs隨著原子氧輻照劑量的增加逐漸降低，從0.9830 下降至0.9781，αs變化不超過0.01，說明鍍層性能相對(duì)穩(wěn)定，具有較好的耐原子氧性能。

3）BN-1 鍍層在真空-紫外輻照過程中，αs較為穩(wěn)定。當(dāng)輻照劑量達(dá)到5000 ESH 時(shí)，αs出現(xiàn)輕微上升趨勢(shì)。紫外輻照前后，BN-1 鍍層的αs從0.9823 增加至0.9832，說明紫外輻照后鍍層性能退化較小，BN-1 鍍層具有優(yōu)異的抗紫外輻照性能。

4）綜合原子氧與真空紫外輻照試驗(yàn)結(jié)果來看，BN-1 鍍層空間環(huán)境穩(wěn)定性優(yōu)異，滿足航天器光學(xué)構(gòu)件長(zhǎng)壽命在軌運(yùn)行應(yīng)用需求。