熱控涂層研究進展

摘 要:本文介紹了熱控涂層的基本概念、工作原理、分類及制備方法，并簡要介紹了目前國際上廣泛應(yīng)用的兩類熱控涂層。

關(guān)鍵詞:熱控涂層 太陽吸收率 光學(xué)性能

中圖分類號：V524\t\t文獻標(biāo)識碼：A\t\t文章編號：1672-3791(2011)10(a)-0092-02

1 熱控涂層的基本概念

熱控涂層又稱溫控涂層，是空間飛行器熱控系統(tǒng)所采用的一種重要的材料，它可以通過自身的熱物理特性即太陽吸收比(αs)和發(fā)射率(ε)來調(diào)節(jié)控制航天器表面的溫度[1～2]。

吸收率是指涂層從指定的能源所吸收的能量與投射在表面上的能量之比。如果指定的能源為太陽，α稱為太陽吸收率，寫成αs。涂層的發(fā)射率(ε)是指涂層表面所輻射的熱量與黑體在同一溫度下所輻射的熱量之比。

在航天器的實際應(yīng)用中，涂層的發(fā)射率ε和太陽吸收率αs是最重要的控制因素。在空間環(huán)境中，不同的ε和αs的配合，基本上決定了暴露于空間環(huán)境的表面的溫度水平。這可以從以下的計算便可以看出。

設(shè)有一絕熱平面(如衛(wèi)星上的一塊絕熱平面)，垂直受太陽輻照，如果無其他熱源影響，那么其熱平衡溫度可以用公式表示。式中，S為太陽常數(shù)。

另有一受太陽輻射的等溫球體，其表面的熱平衡溫度可以用公式表示。

由此可見，表面溫度取決于其吸收發(fā)射比。當(dāng)αs/ε取不同值時，就決定了兩個物體的溫度水平[3～6]。

2 熱控涂層的工作原理

在大多數(shù)情況下，熱控涂層的吸收發(fā)射比αs/ε的值越小則航天器的降溫程度越大;熱控涂層的吸收發(fā)射比αs/ε的值越大則航天器的升溫程度越大。而金屬的發(fā)射率ε很小，所以αs/ε的值很大，金屬航天器在太陽輻射下運行，平衡溫度很高，為了降低其平衡溫度，要在金屬底材涂上低αs/ε值的涂層，減少對太陽能的吸收，增加涂層表面的熱輻射，延長空間飛行器的使用壽命，并保證航天器及其中的儀器設(shè)備維持在正常的工作溫度范圍內(nèi)。當(dāng)軌道姿態(tài)和結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)確定后，航天器表面的溫度T與該表面材料對于太陽的吸收率(αs)成正比，與表面材料的熱發(fā)射率(ε)成反比。

其計算公式為[7～10]:。

其中T為航天器達到熱平衡的絕對溫度，S為太陽常數(shù)，σ是Stefan-Boltzmann常數(shù)，Ap為航天器垂直于太陽輻射方向的有效面積，A為航天器的有效面積，αs是航天器表面的太陽吸收率，εH是航天器的表面的半球向紅外發(fā)射率，對于特定的航天器或者設(shè)備，因為S，σ，Ap，A都是常數(shù)，所以航天器或者設(shè)備的平衡溫度可以通過選擇不同αs/ε來決定。最終實現(xiàn)熱控制，保證航天器的結(jié)構(gòu)、儀器設(shè)備在高低溫運行情況下都不超出允許的溫度范圍。

3 熱控涂層的分類

根據(jù)航天器的熱控要求，國、內(nèi)外已研制出多種熱控涂層。按照不同的分類標(biāo)準主要可以分為以下類型的額熱控涂層。

3.1 按照熱控涂層的組成特點分類

按涂層的組成特點可分為以下幾點。

(1)未涂覆的金屬表面，如拋光表面、噴砂表面。

(2)涂料型涂層，各種有機無機涂層。

(3)電化學(xué)涂層，如陽極氧化涂層和電鍍涂層。

(4)二次表面鏡型熱控涂層，如光學(xué)太陽反射鏡(OSR)、塑料薄膜型二次表面鏡以及涂料型二次表面鏡。

3.2 按照熱控涂層的熱輻射性質(zhì)分類

按熱控涂層的熱輻射性質(zhì)，即涂層對太陽吸收率αs以及涂層自身的輻射率ε來分，大致可分成全發(fā)射表面、中等反射表面、太陽吸收表面、中等紅外反射表面、灰體表面、中等紅外吸收表面、太陽反射表面、中等太陽反射表面和全吸收表面等九種類型。

3.3 目前被廣泛應(yīng)用的兩類熱控涂層

目前國內(nèi)外大量使用的主要有兩種類型的熱控涂層，一種是太陽漫反射熱控涂層，即低吸收發(fā)射比熱控涂層;另一種是紅外波段熱控涂層，即高吸收發(fā)射比熱控涂層。

3.3.1 低吸收發(fā)射比熱控涂層

航天器中使用的低吸收發(fā)射比熱控涂層，即低太陽吸收率和高發(fā)射率。滿足這種要求的熱控涂層主要有三類:白漆、二次表面鏡型涂層、陶瓷類保護涂層。其中，白漆類涂層是由白色顏料(ZnO、TiO2和ZrO2)和有機樹脂(主要是丙烯酸和有機硅類)制備的;二次表面鏡型涂層包括鍍銀薄膜和光學(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[12]。

3.3.2 高吸收發(fā)射比熱控涂層

高吸收發(fā)射比熱控涂層，即具有高的太陽吸率和高的發(fā)射率。我國目前所能提供的品種單一，且不能滿足空間環(huán)境下的穩(wěn)定性和長壽命及可凝揮發(fā)物的限制。未來的發(fā)展方向是低可凝揮發(fā)物(對光學(xué)鏡面污染小)、高太陽吸收率(提高探測器的分辨率)的涂層。俄羅斯在這方面有著相當(dāng)高的水平，俄羅斯黑色有機熱控涂層是由有機樹脂(包括丙烯酸樹脂、有機硅樹脂及泰氟隆樹脂)和黑色顏料(Co2O3，炭黑等)組成。

4 熱控涂層的主要制備方法

根據(jù)前述的熱控涂層的類型，大致有以下幾種制備方法，并且這幾種方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天器當(dāng)中。

4.1 未經(jīng)涂覆的金屬表面的制備

熱控涂層包括未加專門涂層的結(jié)構(gòu)材料表面。這種表面通常主要通過直接的機械或化學(xué)拋光、噴砂等處理工藝來取得熱輻射性質(zhì)較穩(wěn)定的表面。

4.2 二次表面鏡型熱控涂層的制備

二次表面鏡可以制成多種型式，如光學(xué)太陽反射鏡是在很薄的石英玻璃片的背面上真空鍍鋁(或銀)，即成了反射器;塑料薄膜二次表面鏡，這種涂層是利用薄膜代替前邊的石英玻璃而制成的二次表面鏡[14]。

4.3 涂料型熱控涂層制備

涂料型涂層是由色素(顏料)和粘結(jié)劑(又稱基料、溶劑)兩部分組成，把顏料和粘結(jié)劑混合高速攪拌，使顏料充分濕潤、分散，最后經(jīng)球磨機研磨(一般35μm以下)，添加適量消泡劑使之充分混合，制得涂料[13]。然后涂敷到航天器蒙皮、構(gòu)件及儀器設(shè)備表面上去，使其獲得一定的熱輻射性質(zhì)。根據(jù)選取不同的粘結(jié)劑，這種涂料可分為有機漆(其粘結(jié)劑為硅氧烷、環(huán)氧樹脂、丙烯酸等)、無機漆(其粘結(jié)劑有硅酸鉀、硅酸鈉、硅酸鋰、硅膠、磷酸鹽、鈦酸鹽和鋯酸鹽等)等。選取不同的顏料，又可得到黑漆(顏料為炭黑、乙炔煙等)、白漆(顏料為氧化鋅、二氧化鈦等)、灰漆和金屬漆等各種熱輻射性質(zhì)不同的品種。

4.4 電化學(xué)熱控涂層的制備

這類涂層是利用電化學(xué)原理，使金屬表面形成特定的氧化層，或者在金屬表面鍍上一層所需的金屬。如陽極氧化法，利用陽極氧化工藝使金屬表面上形成一層厚度一定的、致密而穩(wěn)定的光亮陽極氧化涂層氧化層。另一種廣泛應(yīng)用于航天的電化學(xué)法制備熱控涂層是電鍍，鍍金在航天器上應(yīng)用較多。在拋光表面上鍍金，可以得到很低的熱輻射率(0.03～0.04)和很高的吸收輻射比(αs/ε=7.7～10.0)。而在許多金屬上電鍍黑鎳，可得到高吸收發(fā)射比的熱控涂層。

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