新型無機熱控涂層的性能及應(yīng)用

張 杭 張家強 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 采用自制新型無機白色填料、無機黏結(jié)劑制備了高穩(wěn)定無機熱控涂層。對熱控涂層的厚度、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)行了測試與驗證。結(jié)果表明：新型無機熱控涂層的太陽吸收比≤0.07、半球發(fā)射率≥0.90、面密度200～360 g∕m2，經(jīng)過地面模擬空間環(huán)境試驗后涂層的太陽吸收比退化量較小，具有優(yōu)異的空間環(huán)境穩(wěn)定性，適用于多種基材表面。

0 引言

航天器的熱控設(shè)計是航天器重要的設(shè)計之一，通過合理的熱控設(shè)計保證航天器的結(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，通過選取不同太陽吸收比（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、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)點成為各種長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Z93、LO-1、S13G 等一系列無機熱控涂層，具有低αS∕εH比值和較好的空間穩(wěn)定性能［6-10］。國內(nèi)中科院上海有機所、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衛(wèi)星上成功應(yīng)用。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，我國后續(xù)高功率、長壽命、高精度航天器對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。目前我國常用的白色散熱型熱控涂層的熱控性能，特別是太陽吸收比及其在軌退化問題已經(jīng)難以滿足長壽命、高功率衛(wèi)星的熱設(shè)計要求［11-12］。

本文以自制白色防靜電粉體為涂層填料，研制了無機防靜電白漆熱控涂層，對涂層的熱輻射性能、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)行測試分析。

1 實驗

1.1 主要原材料

新型無機白色填料，自制；無機黏結(jié)劑，自制；去離子水，自制。

1.2 涂層制備

將新型無機白色填料、無機黏結(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，室溫放置一段時間后高溫烘烤固化后完成涂層制備。

1.3 性能表征

按照QJ 990.3A—2011 規(guī)定的方法測試涂層的厚度；按照GJB 2502.2—2015 規(guī)定的方法測試涂層的太陽吸收比；按照GJB 2502.3—2015 規(guī)定的方法測試涂層的半球發(fā)射率；按照GB∕T 1410—2006 的規(guī)定的方法測試涂層的體積電阻率；按照QJ 1558B—2016 規(guī)定的方法測試涂層的真空揮發(fā)性；按照GJB 2502.8—2015 規(guī)定的方法測試涂層的熱循環(huán)性能；按照GJB 2502.5—2015 規(guī)定的方法測試涂層的真空-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)定的方法測試涂層的真空-電子輻照性能；按照GJB 2704A—2006 規(guī)定的方法測試涂層其他的相關(guān)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的熱輻射性能

鋁合金基材表面厚度120 μm 以上的無機熱控涂層的太陽吸收比和半球發(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，具有極低的太陽吸收比和高半球發(fā)射率。

2.2 涂層的厚度和面密度關(guān)系

鋁合金基材表面一定厚度的無機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，涂層的面密度在260～300 g∕m2，根據(jù)實際使用情況可進(jìn)行一定程度的外推。

表2 熱控涂層厚度及面密度測試Tab.2 Thickness test and area density of thermal control coating

2.3 涂層的防靜電性能

鋁合金基材表面厚度約120 μm 的無機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 涂層體積電阻率測試結(jié)果Tab.3 Volume resistivity test of thermal control coating

2.4 涂層的真空揮發(fā)性

熱控涂層的真空揮發(fā)性測試結(jié)果如表4所示。

表4 熱控涂層真空揮發(fā)性測試結(jié)果Tab.4 Vacuum volatility test of thermal control coating

從結(jié)果可以看出，無機熱控涂層滿足總質(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。

2.5 涂層的真空-紫外輻照性能

采用遠(yuǎn)紫外（110～200 nm）+近紫外（200～400 nm）綜合輻照試驗結(jié)果如表5所示。

表5 熱控涂層真空-紫外輻照試驗結(jié)果Tab.5 Vacuum-ultraviolet test of thermal control coating

熱控涂層太陽吸收比輻照劑量的增加，涂層的太陽吸收比先逐漸升高，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，太陽吸收比趨于穩(wěn)定。涂層太陽吸收比經(jīng)5 000 ESH 真空-紫外輻照后太陽吸收比的變化小于0.05。輻照前后涂層的半球發(fā)射率幾乎沒有變化。

2.6 真空-電子、質(zhì)子綜合輻照

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)子輻照試驗結(jié)果Tab.7 Vacuum-proton test of thermal control coating

熱控涂層太陽吸收比隨輻照劑量的增加，涂層的太陽吸收比逐漸升高，經(jīng)過真空-電子與真空質(zhì)子綜合輻照后，涂層的太陽吸收比增加了0.13，輻照前后涂層的半球發(fā)射率幾乎沒有變化。

2.7 涂層的原子氧性能

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)原子氧試驗后太陽吸收比變化0.02 左右，半球發(fā)射率基本不變。在原子氧試驗初期太陽吸收比有少許變化，之后隨著劑量的增加太陽吸收比保持不變，涂層總質(zhì)損1 mg左右，說明熱控涂層具有優(yōu)異的耐原子氧性能。

2.8 涂層的熱循環(huán)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，按照測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了300 次∕-196～200 ℃的熱循環(huán)試驗后試片狀態(tài)如圖1所示。

圖1 熱控涂層熱循環(huán)試驗后外觀Fig.1 Appearance of thermal control coating after thermal cycle test

經(jīng)測試熱循環(huán)試驗后，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，涂層無開裂、不起皮、不起泡、不脫落；涂層太陽吸收與半球發(fā)射率的變化小于0.02。

2.9 涂層的工藝穩(wěn)定性

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，對同批熱控涂層試片的性能進(jìn)行測試，無機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

3 結(jié)論

新型無機熱控涂層適用于多種基材表面，涂層厚度120～200 μm，具有極低的太陽吸收比0.06～0.07 和高半球發(fā)射率0.90～0.91，經(jīng)過地面模擬真空-紫外、真空-電子、真空質(zhì)子、原子氧試驗后，涂層的太陽吸收比總退化量為0.20，具有優(yōu)異的空間環(huán)境穩(wěn)定性，經(jīng)過工藝驗證適用于各類衛(wèi)星的長壽命高可靠產(chǎn)品的熱設(shè)計要求，具備廣闊的應(yīng)用前景。