美國用于空間站輻射器熱控涂層的研究

美國用于空間站輻射器熱控涂層的研究

1熱控涂層的低吸收-發(fā)射比、高發(fā)射率和未充放電涂層熱控層是華南被動(dòng)熱控制系統(tǒng)的重要組成部分。它可以通過其自身的熱物理特性（s）和發(fā)射率（）來調(diào)整和控制探測器表面的溫度。從國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)射的航天器的故障分析可以發(fā)現(xiàn),因熱控涂層的故障導(dǎo)致任務(wù)失敗的概率是很小的,但熱控涂層在空間環(huán)境下的退化卻限制了航天器的在軌工作壽命。特別是在我國,熱控涂層的發(fā)展水平已經(jīng)成為我國發(fā)展空間站的制約因素之一。本文根據(jù)大量文獻(xiàn),對美國用于空間站輻射器中的熱控涂層進(jìn)行了分析和對比,以便為我國將來空間站中熱控涂層的使用提供信息。使用在空間站輻射器中的熱控涂層應(yīng)該具有低吸收—發(fā)射比(αs/ε),即低太陽吸收比和高發(fā)射率。同時(shí)美國對用于空間站輻射器中的熱控涂層還有嚴(yán)格的壽命要求,涂層的地面存儲(chǔ)壽命要達(dá)到10年,涂層在低地球軌道環(huán)境中的運(yùn)行壽命要達(dá)到30年。滿足上述要求的低αs/ε型熱控涂層可以分為以下三個(gè)方面:(1)白漆;(2)二次表面鏡型涂層;(3)陶瓷類保護(hù)涂層。其中,白漆類涂層包括Z—93、YB—71和S13G/LO—1;二次表面鏡型涂層包括鍍銀F—46薄膜和光學(xué)太陽反射器(OSR);陶瓷類涂層即硫酸陽極化處理的鋁陽極氧化涂層。2熱態(tài)涂層性能分析2.1鍍銀f—鍍銀F—46薄膜型熱控涂層鍍銀F—46薄膜涂層的額定光學(xué)性能值為αs=0.08,ε=0.80,αs/ε=0.10。聚四氟乙烯薄膜的厚度增加時(shí),涂層的發(fā)射率要增加。鍍銀F—46薄膜的優(yōu)點(diǎn)在于低αs/ε比,易于粘貼,并且這種涂層在很多的航天器上都得到了使用,具有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。鍍銀F—46薄膜的缺點(diǎn)在于在低地球軌道中會(huì)受到原子氧的侵蝕,這種涂層在低地球軌道中服役30年涂層的厚度會(huì)減少0.127mm,涂層發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)量損失,因此聚四氟乙烯薄膜的厚度至少要達(dá)到0.254mm以防止涂層的質(zhì)量損失。在鍍銀F—46薄膜的外表面粘貼一層厚度為1μm～5μm的石英玻璃可以減少由于原子氧侵蝕引起的質(zhì)量損失。在美國,聚四氟乙烯薄膜厚度為0.127mm的鍍銀F—46薄膜的售價(jià)是3.2$/dm2,聚四氟乙烯厚度為0.254mm的鍍銀F—46薄膜的售價(jià)為6$/dm2。鍍銀F—46薄膜的粘貼工作是十分費(fèi)時(shí)的,需要熟練的技術(shù)工人,可以達(dá)到6.6dm2/h。鍍銀F—46薄膜最為優(yōu)越的特性在于它易于粘貼在曲面以及不規(guī)則的航天器表面上。加工處理工藝上的差別會(huì)使鍍銀F—46薄膜的發(fā)射率不同,涂層太陽吸收比的不同是由涂層制備過程中沉積銀的過程引起的。另外,銀如果變暗也會(huì)引起涂層的太陽吸收比發(fā)生變化。鍍銀F—46薄膜的污染是比較容易清洗的,使用不帶有棉絨的粗棉布沾著異丙醇、甲醇、乙醇、丙酮或者是乙酸就可以將污染物清除。如果涂層上的污染物不被清除,在空間環(huán)境條件下污染物會(huì)同聚四氟乙烯反應(yīng),使涂層的光學(xué)性能發(fā)生退化并且使涂層發(fā)生質(zhì)量損失。從美國“長期暴露設(shè)施”(LDEF)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,如果在涂層制備過程中粘結(jié)劑使用過多,過多的粘結(jié)劑就會(huì)在原子氧環(huán)境中變成褐色,使涂層的太陽吸收比顯著升高。在低地球軌道中,鍍銀F—46薄膜的表面要發(fā)生嚴(yán)重的表面反應(yīng),這種表面反應(yīng)是由于涂層暴露于原子氧環(huán)境中引起的。在550km的軌道上,由于原子氧的侵蝕作用預(yù)計(jì)鍍銀F—46薄膜的質(zhì)量損失每年會(huì)達(dá)到2.54μm。對于運(yùn)行時(shí)間為30年的空間站,鍍銀F—46薄膜的質(zhì)量損失會(huì)達(dá)到76.2μm。同時(shí)考慮到引起質(zhì)量損失的其他因素,例如污染以及多種空間因素的合成作用,如果不使用石英玻璃保護(hù)層,30年間鍍銀F—46薄膜的質(zhì)量損失就會(huì)達(dá)到0.127mm。鍍銀F—46薄膜中的銀層容易受到原子氧的氧化作用。即使有聚四氟乙烯薄膜保護(hù),通過原子氧的擴(kuò)散作用以及當(dāng)涂層受到微流星和空間碎片的撞擊損傷后使銀層直接外露于空間環(huán)境時(shí),原子氧都可以使銀層很快地變黑,使涂層局部區(qū)域的光學(xué)性能發(fā)生退化。在LDEF的空間暴露試樣上,發(fā)現(xiàn)了在微流星和空間碎片撞擊形成的孔眼周圍出現(xiàn)了黑色的圓環(huán)。鍍銀F—46薄膜受原子氧侵蝕的程度與涂層被放置的方位有著很大的關(guān)系,即涂層是面向原子氧撞擊還是背向原子氧撞擊。例如:“返回式太陽活動(dòng)高年探測衛(wèi)星”(SMS)的鍍銀F—46薄膜在經(jīng)過空間暴露實(shí)驗(yàn)后,出現(xiàn)了明顯的裂化和變黃現(xiàn)象,涂層的光學(xué)性能受到了嚴(yán)重的影響;然而從STS—5和STS—8的返回?cái)?shù)據(jù)來看,鍍銀F—46薄膜并沒有發(fā)生明顯的退化,原因在于在“返回式太陽活動(dòng)高年探測衛(wèi)星”上,鍍銀F—46薄膜是被放置在面向原子氧撞擊一側(cè),而STS—5和STS—8上的鍍銀F—46薄膜受到了運(yùn)載艙的屏蔽保護(hù),被放置在背向原子氧撞擊一側(cè)。帶有石英玻璃保護(hù)層的鍍銀F—46薄膜在熱循環(huán)后出現(xiàn)了龜裂,盡管出現(xiàn)了龜裂,在原子氧的作用下帶有石英玻璃保護(hù)層的鍍銀F—46薄膜的質(zhì)量損失仍然會(huì)明顯減少。2.2z—Z—93型熱控涂層Z—93型熱控涂層是1963年美國IITRI研究院在馬歇爾空間飛行中心的資助下開發(fā)出的白漆涂層。Z—93型熱控涂層的質(zhì)地堅(jiān)硬、厚度值大約為0.127mm,額定光學(xué)性能為αs=0.15,ε=0.90,αs/ε=0.17。這種涂層是以ZnO作為顏料,以K2SiO3作為粘結(jié)劑。K2SiO3具有較好的透光性,而且包膜厚度均勻,結(jié)構(gòu)致密。Z—93型熱控涂層的售價(jià)為216$/dm3,1dm3Z—93涂料的涂覆面積大約為96.6dm2,即Z—93型涂層的售價(jià)為2.26$/dm2。Z—93型熱控涂層是采用傳統(tǒng)的噴涂方法進(jìn)行涂覆,涂覆工作并不象鍍銀F—46薄膜的工作量那么大,對涂覆、固化和檢驗(yàn)這樣的工藝流程來說,可以達(dá)到9.3dm2/h。涂層在固化之后具有了一定的硬度,能夠在加工以及在熱循環(huán)過程中防止脆性龜裂的出現(xiàn)。在對Z—93型涂層進(jìn)行涂覆時(shí),首先要對作為基材的金屬鋁表面進(jìn)行清洗,接下來要對金屬鋁表面進(jìn)行蒸餾水沖洗,然后進(jìn)行烘干,最后進(jìn)行噴砂處理,以使表面粗化。在涂覆時(shí),首先要在金屬鋁表面涂覆一層底漆作為底層,接著再用Z—93涂料涂覆兩遍,使涂層的厚度達(dá)到50.8μm。然后要對涂層進(jìn)行不完全的固化,以使涂層和鋁基體之間獲得初步的附著性。為了獲得厚度達(dá)0.127mm的涂層,至少還要用Z—93涂料涂覆兩遍,然后進(jìn)行再次固化。在涂層的存儲(chǔ)過程中,應(yīng)該使用蒙皮將制備好的Z—93型涂層保護(hù)起來,并且要放置在干燥的氮?dú)猸h(huán)境中。Z—93型熱控涂層的優(yōu)點(diǎn)在于具有很低的吸收—發(fā)射比,大量的空間應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及在空間環(huán)境中良好的穩(wěn)定性。它的主要缺點(diǎn)在于Z—93型涂層的孔隙率達(dá)到45%,大的孔隙率使其容易遭受污染,并且污染物不容易被清洗。對于油脂類的污染物,Z—93型涂層在原子氧的環(huán)境中具有自我清潔的能力,因?yàn)長DEF的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,面向原子氧撞擊一側(cè)的航天器表面保持著清潔,背向原子氧撞擊一側(cè)的航天器表面受到了污染。據(jù)推測這是因?yàn)樵友踝矒羟治g油脂類的或者是有機(jī)的污染物,將它們分解為易揮發(fā)的化合物。另一方面,人們也從空間暴露結(jié)果推測出如果在紫外線的作用下有機(jī)聚合物發(fā)生了嚴(yán)重的交聯(lián),這樣原子氧就不能迅速地同有機(jī)聚合物發(fā)生作用,從而就不能有效地保持航天器表面的清潔。LDEF的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,由于污染,Z—93型熱控涂層的顏色和光學(xué)性能要發(fā)生改變。原子氧對Z—93型熱控涂層并沒有十分明顯的退化作用,這一點(diǎn)已經(jīng)在LDEF和NASA劉易斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的太陽能動(dòng)力的輻射器項(xiàng)目中得到了證實(shí)。以往在研究中發(fā)現(xiàn),在真空環(huán)境中由于ZnO表面吸附氧的脫附,導(dǎo)致了Z—93型熱控涂層的光學(xué)性能發(fā)生了退化。然而在低地球軌道中,由于有原子氧存在,退化的Z—93型熱控涂層的表面會(huì)被重新地白化,使涂層的太陽吸收比降低,使涂層的光學(xué)性能得到改善。據(jù)報(bào)道,在經(jīng)過5000ESH的紫外線輻照后,Z—93型熱控涂層的太陽吸收比從0.15增加到了0.18,發(fā)射率始終為0.92保持不變。從LDEF和在NASA-JSC高速撞擊研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的太陽能動(dòng)力的輻射器項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,Z—93型熱控涂層在抗高速撞擊方面表現(xiàn)出了極為出色的性能。高速撞擊形成的孔眼的周圍區(qū)域仍然保持完好,即撞擊形成的危害被限制在2個(gè)撞擊孔眼半徑的范圍,大約為5mm。2.3吸收—YB—71型熱控涂層YB—71型熱控涂層也是美國IITRI研究院在NASA馬歇爾空間中心的資助下開發(fā)出來的白漆涂層。YB—71型涂層不是以ZnO作為顏料,而是以正鈦酸鋅作為顏料。YB—71型涂層使用的粘結(jié)劑與Z—93型涂層使用的粘結(jié)劑相同,都是K2SiO3,但這兩種涂層中顏料所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)值不同,分別為87.6%和81%,所以YB—71型涂層的脆性要大于Z—93型涂層。YB—71型涂層和Z—93型涂層的額定αs分別為0.11和0.15,ε分別為0.88和0.92,這樣YB—71型涂層具有更低的吸收—發(fā)射比,二者的吸收—發(fā)射比分別為0.125和0.163。YB—71型涂層和Z—93型涂層都具有大約為45%的孔隙率,污染同樣是這兩種涂層的主要問題。YB—71型涂層的優(yōu)點(diǎn)在于具有比較低的吸收—發(fā)射比,在空間環(huán)境中的穩(wěn)定性十分好。它的缺點(diǎn)在于涂層的脆性大,價(jià)格昂貴,并且容易遭受污染。它的價(jià)格為1644$/dm3。YB—71型涂層的涂覆厚度要大于Z—93型涂層,二者的涂覆厚度分別為0.203mm和0.127mm,所以1dm3的YB—71型涂料的涂覆面積為60dm2,即YB—71型涂層的價(jià)格為27.2$/dm2,這大約是Z—93型涂層的12倍。YB—71型涂層的涂覆過程與Z—93型涂層的涂覆過程相同,但由于YB—71型涂層的厚度較厚,所以在對YB—71型涂層進(jìn)行涂覆時(shí)需要的工時(shí)更多。對YB—71型涂層進(jìn)行涂覆和固化每小時(shí)大約可進(jìn)行7.8dm2。YB—71型涂層的價(jià)格昂貴,這是一個(gè)主要的問題。YB—71型涂層抗原子氧侵蝕的能力很強(qiáng)。從LDEF的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,原子氧侵蝕對YB—71型涂層幾乎沒有什么影響。由于YB—71型涂層的無機(jī)組成,紫外線輻照對YB—71型涂層并不是太大的問題。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,在地面實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過5000ESH的紫外線輻照后,YB—71型涂層的αs要從0.11增加到0.13,而涂層的ε不發(fā)生變化,仍然為0.88。2.4s13g/lo—S13G/LO—1型熱控涂層S13G/LO—1型涂層是美國IITRI研究院制造的S—13系列的第四代白漆涂層,它是以K2SiO3包覆的ZnO作為顏料,以聚甲基硅氧烷作為粘結(jié)劑。S13G/LO—1型涂層的價(jià)格為761$/dm3,1dm3的S13G/LO—1涂料的涂覆面積為60dm2,涂覆的厚度為0.203mm。這就相當(dāng)于涂覆1dm2的S13G/LO—1型涂層的費(fèi)用為12.58$。這種涂層的涂覆工作要比Z—93型涂層和YB—71型涂層容易得多,對S13G/LO—1型涂層進(jìn)行涂覆和固化每小時(shí)大約可進(jìn)行11.6dm2。在NASA劉易斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的等離子體灰實(shí)驗(yàn)表明,S13G/LO—1型涂層的αs變化很小,光學(xué)顯微照片表明該涂層出現(xiàn)了極微小的龜裂。該涂層是采用甲基硅氧烷作為粘結(jié)劑,估計(jì)這種有機(jī)粘結(jié)劑會(huì)與原子氧發(fā)生反應(yīng)。該涂層在經(jīng)過5000ESH的紫外線輻照之后,太陽吸收比增加了0.10。由于在甲基硅氧烷粘結(jié)劑中低沸點(diǎn)化合物的存在,預(yù)計(jì)S13G/LO—1型涂層在真空環(huán)境下會(huì)發(fā)生析氣現(xiàn)象。該涂層在經(jīng)過25次熱循環(huán)后涂層的表面輕微變粗,但是并沒有出現(xiàn)剝落和龜裂現(xiàn)象。其污染問題類似于Z—93型涂層和YB—71型涂層。由于這些白漆涂層的孔隙率大,容易遭受污染,從而使涂層的太陽吸收比升高。S13G/LO—1型涂層要比Z—93型涂層和YB—71型涂層容易清洗。2.5鋁陽極氧化涂層盡管鋁陽極氧化涂層的空間使用經(jīng)驗(yàn)十分有限,但對于長時(shí)間運(yùn)行的空間站來說,它已經(jīng)成為十分重要的侯選涂層。鋁陽極氧化涂層的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)質(zhì)量輕,因?yàn)檫@種涂層的厚度只需要25.4μm;(2)鋁陽極氧化涂層同航天器鋁基體間的結(jié)合力十分好。鋁陽極氧化涂層的原始光學(xué)性能值為αs=0.19,ε=0.92。由于氧化鋁自身的光學(xué)性能就在所要求的范圍之內(nèi),因此對于鋁陽極氧化涂層來說,涂層的光學(xué)性能只取決于氧化鋁層。純正的氧化鋁對可見光區(qū)域的太陽電磁輻射是透過性的,對于紅外區(qū)域的太陽電磁輻射是非透過性的。鋁陽極氧化涂層的價(jià)格十分便宜,大約是0.32$/dm2,每小時(shí)大約可以對18.6dm2的熱控件進(jìn)行陽極化處理。鋁陽極氧化涂層尚未解決的問題在于涂層制備工藝的自動(dòng)化,涂層性能的可重復(fù)性以及這類涂層在真空、紫外線條件下的退化問題。在大面積的熱控件上制備鋁陽極氧化涂層時(shí),實(shí)現(xiàn)涂層光學(xué)性能的可重復(fù)性是一個(gè)十分重要的問題。在進(jìn)行陽極化時(shí),要保持鍍液的溫度、陽極化時(shí)間以及酸的濃度在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化。鋁陽極氧化涂層的制備過程是一個(gè)多環(huán)節(jié)的工藝流程,這其中包括漂洗和涂層的表面預(yù)處理,漂洗和涂層的表面預(yù)處理會(huì)嚴(yán)重影響到涂層光學(xué)性能的可重復(fù)性。鋁陽極氧化涂層的質(zhì)地密集,能夠十分容易地保持涂層的清潔。由于鋁陽極氧化涂層的無機(jī)組成,預(yù)計(jì)這種涂層在原子氧環(huán)境中應(yīng)該是十分穩(wěn)定的。在NASA劉易斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的太陽能動(dòng)力的輻射器項(xiàng)目中,鋁陽極氧化涂層被暴露于原子氧環(huán)境中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂層的太陽吸收比和發(fā)射率幾乎不發(fā)生什么變化,同樣涂層的表觀形貌也沒有發(fā)生顯著的變化。對鋁陽極氧化涂層進(jìn)行熱循環(huán)實(shí)驗(yàn),熱循環(huán)的溫度范圍是-73℃～+149℃,并且每次熱循環(huán)要在+149℃的溫度條件下進(jìn)行均熱處理15min,在經(jīng)過10次～15次這樣的熱循環(huán)后,厚度為25.4μm的鋁陽極氧化涂層表面出現(xiàn)了龜裂現(xiàn)象,但是氧化鋁層并沒有出現(xiàn)片狀剝落現(xiàn)象。相對于白漆來說,鋁陽極氧化涂層十分薄。氧化鋁是一種陶瓷,但是由于鋁陽極氧化涂層的厚度太薄,在空間中容易發(fā)生絕緣體擊穿現(xiàn)象。2.6銀包的氣調(diào)涂層OSR是一種優(yōu)質(zhì)的被動(dòng)熱控材料,它由對可見光透明且具有高發(fā)射率的石英第一表面和對可見光具有高反射率的銀第二表面組成。OSR具有低太陽吸收比和高發(fā)射率,并且在空間環(huán)境中具有良好的穩(wěn)定性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,這種涂層原始的光學(xué)性能為αs=0.05,ε=0.83。OSR的材料費(fèi)用大約是247$/dm2。OSR的制備首先是將7940號的康寧石英玻璃加工成0.2mm厚的薄片,然后在石英玻璃薄片的背面真空蒸發(fā)—沉積上一層0.1μm厚的銀層,最后要在銀層的表面真空蒸發(fā)—沉積上一層0.05μm厚的鉻鎳鐵合金,以保護(hù)銀層。OSR表面堅(jiān)硬,可以防止劃痕的出現(xiàn),然而這種涂層在使用時(shí)必須使用膠粘劑將它粘貼在輻射器的表面,每小時(shí)涂層的粘貼面積為5.2dm2。由于石英玻璃的密度很大,所以使用這種涂層就出現(xiàn)了質(zhì)量大的弊端,這種涂層的污染問題要比其他的任何一種涂層小得多,因?yàn)楣饣耐繉颖砻婵梢允秩菀椎卮_保涂層的清潔。在航天器的發(fā)射過程中,震動(dòng)載荷并不是問題,因?yàn)樵谑⒉ＡП∑g具有小小的縫隙,這些小小的