鋁合金裂縫波導(dǎo)天線熱控膜制備技術(shù)

吳曉霞，胡江華，盧海燕

(1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器儀表學(xué)院，安徽合肥 230009;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所工程技術(shù)部，安徽合肥 230031)

目前，鋁及鋁合金被越來(lái)越多的用來(lái)代替鋼鐵和各種有色金屬以及木材等非金屬材料，并用來(lái)制成各種型材、設(shè)備、零件及日用工業(yè)品［1］。

鋁是一種化學(xué)活動(dòng)性較強(qiáng)的輕金屬元素。鋁及鋁合金制品表面能在大氣中自然生成一層氧化膜，但這層薄膜不但耐蝕性和耐磨性都很差，而且制品都是單一的銀白色，所以，對(duì)鋁及鋁合金制品經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化以提高其耐蝕耐磨性能并進(jìn)行著色裝飾，是目前廣泛采用的方法［2］。

鋁合金波導(dǎo)天線在空間環(huán)境下使用，對(duì)表面涂層的熱輻射特性要求高。雖然其氧化膜的生成機(jī)理與常規(guī)方法沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，但在空間環(huán)境下使用，其性能和環(huán)境的要求與地面產(chǎn)品又完全不同［3］。

因此，文中采用陽(yáng)極氧化技術(shù)通過(guò)相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化和控制獲得具有特定指標(biāo)要求的膜層。包括具有特定熱輻射性能的熱控膜層的獲得、鍍膜工藝的穩(wěn)定性、膜層厚度均勻性、膜層的熱輻射指標(biāo)穩(wěn)定性、波導(dǎo)子陣鍍膜工藝的實(shí)現(xiàn)及控制以及空間環(huán)境試驗(yàn)及適應(yīng)性分析。

1 陽(yáng)極氧化制備熱控膜

實(shí)驗(yàn)樣片采用LF21鋁試片，并模擬波導(dǎo)加工的實(shí)際過(guò)程，進(jìn)行鋁合金陽(yáng)極氧化［4］。

課題波導(dǎo)子陣表面鍍膜層熱輻射指標(biāo)為:半球發(fā)射率εh:0.72～0.74;太陽(yáng)吸收率αs:0.3～0.35。

1.1 工藝流程簡(jiǎn)介

由于膜層的熱輻射性能受工藝方法和工藝參數(shù)的影響較大，因此對(duì)氧化工藝與膜層的熱輻射性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，優(yōu)化了工藝參數(shù)，來(lái)獲得本實(shí)驗(yàn)所需的半球發(fā)射率和太陽(yáng)吸收率指標(biāo)。

圖1 熱控膜制備流程

1.2 氧化膜的熱輻射性能試驗(yàn)

針對(duì)不同工藝條件下獲得的εh、αs值進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 不同工藝條件獲得熱控膜指標(biāo)

1.3 氧化膜一致性試驗(yàn)

為驗(yàn)證氧化工藝一致性問(wèn)題，按照方法5對(duì)10塊試片進(jìn)行氧化處理，測(cè)試熱輻射性能，結(jié)果如表2所示。

表2 氧化膜一致性熱控膜指標(biāo)

比較表2和表1中方法4的αs、εh，二者無(wú)明顯差別(≤0.02)，表明不同批次的加工工藝一致性較好。

1.4 氧化膜均勻性

70 mm×70 mm×2 mm的樣板，測(cè)試數(shù)據(jù)表明不同區(qū)域膜層厚度未出現(xiàn)明顯差別，均勻性較好。150 mm×150 mm×6 mm的樣板，再次測(cè)試了不同區(qū)域膜層厚度，不同區(qū)域氧化膜厚度誤差＜1 μm，如圖1所示。而當(dāng)膜厚在5 μm以上時(shí)，αs、εh值隨膜厚變化緩慢，如圖2所示。因此對(duì)波導(dǎo)子陣來(lái)說(shuō)，表面各處的αs、εh值應(yīng)基本一致。

圖2 氧化膜厚度均勻性

圖3 氧化膜厚度與熱控膜指標(biāo)關(guān)系

2 波導(dǎo)腔體清洗試驗(yàn)

2.1 超聲清洗工藝

超聲波清洗的原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)－清洗劑中，超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的直徑為50～500 μm的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡在氣場(chǎng)的作用下振動(dòng)，這些氣泡在超聲液縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成、生長(zhǎng)，而在正壓區(qū)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增大，然后突然閉合，并在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓，破壞不溶性的污染物而使之分散于清洗液中，這就被稱為“空化”效應(yīng)［5－7］。

由于超聲波的能量可穿透細(xì)微的縫隙和小孔，故可應(yīng)用于任何形狀、任何復(fù)雜程度波導(dǎo)腔體。

本實(shí)驗(yàn)波導(dǎo)天線只在輻射面上有些1 mm寬的輻射縫，由于波導(dǎo)腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陽(yáng)極氧化后會(huì)有大量液體殘留于腔體內(nèi)。如不清洗干凈，波導(dǎo)腔體將會(huì)造成嚴(yán)重腐蝕。而采用常規(guī)的水清洗難以保證清洗干凈，因此采用流動(dòng)水洗+超聲清洗方式+浸洗以除去波導(dǎo)腔體中可能殘留的化學(xué)溶液。

2.2 清洗效果檢測(cè)

溶液中殘留的主要成分為碳酸鈉、磷酸鈉、硫酸等，采用去離子水作為清洗液進(jìn)行超聲波清洗。30 min為1號(hào)水樣，再進(jìn)行30 min清洗為2號(hào)水樣，如表3所示。

表3 二次超聲波清洗后殘留離子測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證波導(dǎo)內(nèi)腔腐蝕液是否清洗干凈，對(duì)經(jīng)過(guò)化學(xué)拋光和陽(yáng)極氧化的單根波導(dǎo)進(jìn)行了解剖，在放大4倍的放大鏡下觀察，波導(dǎo)內(nèi)腔未出現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積，如圖4所示。

圖4 清洗后腔體解剖圖

3 空間環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)及分析

對(duì)原子氧和真空出氣進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)熱循環(huán)、電子輻照、質(zhì)子輻照等環(huán)境進(jìn)行了分析。技術(shù)指標(biāo)及完成情況如表4所示。

表4 空間環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)

技術(shù)指標(biāo)說(shuō)明:在熱控膜層制備工藝專題研究過(guò)程中提出的指標(biāo)為εh=0.72～0.74，αs=0.30～0.35，對(duì)范圍進(jìn)行了限制，尤其是εh范圍過(guò)窄，需要對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行一步限定并對(duì)工藝過(guò)程嚴(yán)格控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得出，陽(yáng)極氧化能使鋁波導(dǎo)表面獲得符合空間環(huán)境下εh為0.7～0.76和αs為0.3～0.35的熱輻射指標(biāo)。(2)通過(guò)改變具體工藝參數(shù)值，可獲得幾組 εh值，范圍分別為0.70～0.72，0.72～0.75，0.73～0.74，0.74～0.76;αs為0.3～0.35之間。(3)通過(guò)本課題獲得的氧化膜，其均勻性和一致性都較好，發(fā)射率、吸收率偏差均不超過(guò)0.02。(4)在獲得熱控膜后，常規(guī)的清洗無(wú)法去除波導(dǎo)腔體和焊縫的殘留液體。必須采用流動(dòng)水洗+超聲清洗方式+浸洗以除去可能殘留的化學(xué)溶液。

［1］ 曲保中．工科大學(xué)化學(xué)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993．

［2］ 王鐵盟．鋁及鋁合金花樣電解著色工藝［J］．電鍍與涂飾，2004(6):13－14．

［3］ 朱子新，杜則裕，徐濱士．表面工程技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展［J］．兵器材料科學(xué)與工程，2001(4):65－69．

［4］ 羅一帆，許旋，陳學(xué)文，等．鋁合金硫酸陽(yáng)極氧化工藝［J］．電鍍與涂飾，2004(1):33－35．

［5］ 王家寶．超聲波清洗工藝的原理及應(yīng)用［J］．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2006(4):36－38．

［6］ 李雅莉．超聲波清洗的原理和實(shí)際應(yīng)用［J］．清洗世界，2006(7):31－35．

［7］ 王家寶．超聲波清洗工藝的原理及應(yīng)用［J］．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2006(4):36－38．