熱控涂層光學(xué)性能退化模型研究

張寧 楊愛民(西安石油大學(xué) 710000)

一、引言

材料漸變折射率即的折射率逐漸變化(沿著一定方向)。 薄膜材料的漸變折射率薄膜是薄膜的折射率在水平方向上均勻不變但在其膜面的法線方向上逐漸變化。

是衛(wèi)星熱控體系的關(guān)鍵構(gòu)成組分，熱控涂層利用涂層改變航天器的表面熱物理性質(zhì)在輻射熱交換中有效地控制衛(wèi)星的溫度，使之在溫控過程中，設(shè)備儀器工作時的溫度不超過安全范圍，確保衛(wèi)星內(nèi)部的正常工作環(huán)境。原理是調(diào)節(jié)物體表面的太陽吸收率和紅外發(fā)射率來控制物體的熱平衡。衛(wèi)星飛行時，在它外表面的熱控涂層會受到太空中質(zhì)子、電子、紫外以及原子氧、等離子體、冷熱交變的作用而導(dǎo)致光性能退化。其中帶電粒子的照射將引起白色涂層吸收量增加，降低光學(xué)性能，進(jìn)而影響其熱控性能，嚴(yán)重減少航天器的安全性與使用周期。我國以及國際上開展了一系列的理論研究及地面模擬和空間搭載試驗，用來評估熱控涂層的光學(xué)性能在太空輻射下的退化。以空間輻射與表面材料作用機(jī)理研究為基礎(chǔ)，確立長壽命衛(wèi)星熱控涂層材料光性能退化模型，并根據(jù)地面模擬試驗對其長期退化的狀況進(jìn)行預(yù)測。在低地球軌道環(huán)境中，主要氣體成分為原子氧。航天器在低地球軌道飛行中原子氧與航天器之間的相對速度為八公里每秒，若原子氧以約5 e V的能量與衛(wèi)星沖撞，則相當(dāng)于衛(wèi)星與約五萬開爾文高溫的原子氧直接反應(yīng)。在原子態(tài)氧等太空環(huán)境的影響下，熱控涂層表面會發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，造成表面粗糙、減薄并有質(zhì)量損失，表面涂層的化學(xué)成分也會發(fā)生較大的變化。熱控涂層吸收率和發(fā)射率將發(fā)生變化，導(dǎo)致衛(wèi)星溫度偏離設(shè)計值，會造成一些部件工作異常，甚至?xí)?dǎo)致飛行任務(wù)失敗。熱控涂層在空間環(huán)境中發(fā)生光學(xué)性能退化是必然的，且產(chǎn)生的后果是嚴(yán)重的，故對此退化現(xiàn)象進(jìn)行分析有利于提高衛(wèi)星飛行的可靠性和使用壽命。本文會在理論上為進(jìn)一步研究熱控涂層在空間中的光學(xué)性能退化規(guī)律提供指導(dǎo)。

二、退化模型

在模擬真空環(huán)境中，用某水平通量密度和束流能量的氧原子對聚酰亞胺材料進(jìn)行輻射加工，用SEM分析法對輻射加工之前的樣品和加工之后的樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)聚酰亞胺薄膜材料被原子態(tài)氧輻射加工后，其表面變成凹凸不平、灰白相間的絨毛狀外部特征，而不同于加工前的光滑和平整。由此表明在原子態(tài)游離氧的影響下，測試樣品表面發(fā)生了腐蝕現(xiàn)象，使得涂層樣品表面變得粗糙，樣品厚度也變薄了，這會嚴(yán)重影響熱控涂層的性能，尤其是光學(xué)性能。聚酰亞胺鍍鋁熱控涂層由兩層組成，由于受到原子態(tài)氧的各種物理及化學(xué)影響，位于外層的聚酰亞胺材料變得凹凸不平，腐蝕嚴(yán)重。所以對受到物理及化學(xué)反應(yīng)的聚酰亞胺薄層進(jìn)行分析，是分析熱控涂層的光學(xué)性能時的重點。假定厚度為d L的涂層為L，該涂層的復(fù)折射率是nL-i k L，而另一厚度是dH的涂層為H，該材料的復(fù)折射率是nH-ikH，材料遭到剝蝕的深度為d0，完好無損的厚度為d’L，則一定會有d0+d’L≤dL。在涂層材料的深處，材料被原子態(tài)氧剝蝕的程度越來越低，涂層越來越致密，折射率越來越大，所以可以把此種遭到原子態(tài)氧剝蝕的薄膜看成漸變折射率涂層薄膜(按涂層表面法線方向變化)。薄膜的折射率由環(huán)境中大氣的折射率n0緩慢變化到折射率為nL-ik L的固定折射率涂層薄膜。我們可以按照分層介質(zhì)理論把折射率變化薄膜沿薄膜法線方向看成N個亞層，每個亞層的實際薄厚一直而且折射率相同。把所有亞層的特征矩陣乘在一起獲得總特征矩陣，再用總特征矩陣元計算出透射系數(shù)和反射系數(shù)。就可以計算出薄膜的總透射率、總吸收率、和總反射率以及反射相移這些需要知道的光學(xué)性能。

在分析熱控涂層的光學(xué)性能時，考慮到熱發(fā)射率和吸收率是熱控薄膜的關(guān)鍵參數(shù)對材料的反射性能和吸收性能要重點分析。由于影響材料吸收光子的關(guān)鍵因素是由材料的導(dǎo)電系的，當(dāng)材料的導(dǎo)電系數(shù)不為大于零時，材料的折射率是復(fù)數(shù)而不是實數(shù)，即n^=n-i k，式中 n^為復(fù)折射率，n為折射率，k為消光系數(shù)。

三、結(jié)束語

電子、質(zhì)子、原子氧、紫外溫度驟變和空間碎片等太空污染全對熱控涂層產(chǎn)生功能耗損的影響，引起熱控涂層粗糙，減薄或材料成分的變化。這些變化均可視為熱控涂層折射率和厚度的變化。要計算得到熱控材料的光學(xué)性能的變化率，只要測得熱控材料的最初厚度和光學(xué)常數(shù)，和輻射加工后的涂層材料光學(xué)常數(shù)和厚度，再通過分析和計算即可。在現(xiàn)實的應(yīng)用中，只要借助于地面模擬實驗和空中飛行實驗，計算分析出原子態(tài)的氧對熱控薄膜材料的影響的具體數(shù)據(jù)，就可以預(yù)測熱控涂層材料在氧原子影響下的光學(xué)性能退化趨勢。我們只要了解了涂層厚度變化和折射率隨厚度的變化關(guān)系，就可以利用這一模型對熱控涂層材料的光學(xué)性能在太空輻射加工作用下的退化規(guī)律進(jìn)行分析預(yù)示。同時，該模型也可用來分析研究空間輻射加工環(huán)境下一般光學(xué)材料的光學(xué)性能退化規(guī)律。

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