影響鋁合金陽極氧化熱控膜熱物理性能的因素

胡江華*，盧海燕，吳曉霞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥　230088）

影響鋁合金陽極氧化熱控膜熱物理性能的因素

胡江華*，盧海燕，吳曉霞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥230088）

通過硫酸陽極氧化在3A 21鋁合金表面制備了陽極氧化膜?？疾炝巳芤簻囟?、電流密度、氧化膜厚度、真空釬焊、化學(xué)拋光對(duì)氧化鋁涂層的半球發(fā)射率Hε和太陽吸收比sα的影響，并測(cè)試了氧化鋁涂層的穩(wěn)定性和抗原子氧能力。采用合適的工藝方法可獲得具有特定熱物理性能的氧化鋁涂層，滿足衛(wèi)星有效載荷熱控涂層的要求。

鋁合金；陽極氧化涂層；半球發(fā)射率；太陽吸收比；熱控設(shè)計(jì)

First-author's address: No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088， China

星載產(chǎn)品由于處在陽光直射及深冷的空間環(huán)境，背陽面與向陽面的溫差可達(dá)數(shù)百度。為保證星上產(chǎn)品在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)工作，熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。由于太空環(huán)境近乎真空，衛(wèi)星產(chǎn)品的熱交換只限于輻射。系統(tǒng)的平衡溫度由其表面層的熱輻射特性即太陽吸收比（sα）和半球發(fā)射率（Hε ）決定［1］。在熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常將涂層技術(shù)作為控制平衡溫度的重要手段之一，具有特定熱輻射特性的熱控涂層可通過自身的熱物理特性來調(diào)節(jié)航天器表面的溫度。

在航天器上使用的高發(fā)射低吸收熱控涂層一般分為三大類：（1）白漆；（2）二次表面鏡型涂層；（3）陶瓷類保護(hù)涂層。其中陶瓷類涂層即為采用硫酸陽極氧化技術(shù)在鋁合金表面獲得的氧化鋁涂層。盡管其空間使用經(jīng)驗(yàn)十分有限，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的空間站來說已是十分重要的候選涂層。氧化鋁涂層的厚度只需幾微米至幾十微米，質(zhì)量輕；由于原位生長(zhǎng)，其與航天器鋁基體間的結(jié)合力十分牢固，且在空間環(huán)境下的穩(wěn)定性良好［2］。因此，對(duì)于鋁基航天產(chǎn)品來說，采用陽極氧化技術(shù)制備熱控層用于熱控設(shè)計(jì)具有重要意義。

不同產(chǎn)品對(duì)Hε、sα的要求不一樣，與器件發(fā)熱量和接收到的光照強(qiáng)度等密切相關(guān)，過高的吸收率和過低的發(fā)射率會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品工作溫度過高，反之則過低，均能影響到產(chǎn)品的工作效率和可靠性。本文以某星載產(chǎn)品縫隙波導(dǎo)表面熱控膜層制備為背景展開工藝研究，考察了前處理方式、氧化工藝參數(shù)、材料表面狀態(tài)、真空釬焊過程對(duì)氧化鋁涂層熱物理性能的影響，以及氧化鋁涂層的穩(wěn)定性及抗原子氧能力，旨在揭示工藝參數(shù)及氧化鋁涂層厚度與Hε 、sα的關(guān)聯(lián)性，即不同參數(shù)下可以獲得的Hε 、sα值，為設(shè)計(jì)人員提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)

1. 1試劑與材料

材料為70 mm × 70 mm × 1 mm的3A 21鋁合金。

陽極氧化液是由分析純的硫酸與去離子水配制的質(zhì)量濃度200 g/L的硫酸溶液。

1. 2鋁合金陽極氧化

工藝流程為：（真空釬焊）→堿蝕→水洗→硝酸中和→水洗→（化學(xué)拋光）→（水洗）→陽極氧化→水洗→熱水封閉→干燥備用。

說明：2.1和2.2節(jié)涉及到的氧化鋁涂層制備過程無真空釬焊和化學(xué)拋光；2.3節(jié)無真空釬焊；2.4節(jié)無化學(xué)拋光。

由于氧化鋁涂層厚度達(dá)到4 ～ 5 μm后，其熱物理性能趨于穩(wěn)定，工藝控制較為容易，且氧化時(shí)間較短，因此除2.2節(jié)外，其他試驗(yàn)中膜厚均取5 μm。

陽極氧化設(shè)備為500A/36VDC風(fēng)冷式開關(guān)整流電源，采用恒流方式，以鋁合金為陽極，純鋁板為陰極。研究的工藝參數(shù)范圍如下：電流密度0.6 ～ 1.2 A/dm2，氧化溫度13 ～ 22 °C，氧化時(shí)間為20 min。

1. 3性能測(cè)試

分別采用美國(guó)Devices & Services公司生產(chǎn)的AE1/RD1輻射率儀和SSR-ER太陽光譜反射率儀測(cè)量氧化鋁涂層的Hε和sα。用 Sirion-200熱場(chǎng)掃描電鏡（SEM）觀察真空釬焊后所得樣品的表面形貌。采用 Fischer公司的MP20E-S測(cè)厚儀測(cè)量氧化鋁涂層的厚度。委托蘭州空間技術(shù)物理研究所進(jìn)行抗原子氧試驗(yàn)和真空揮發(fā)試驗(yàn)。

2　結(jié)果與討論

2. 1氧化工藝參數(shù)對(duì)氧化鋁涂層熱物理性能的影響

2. 1. 1電流密度

不同電流密度所得氧化鋁涂層的熱物理性能見圖1，結(jié)果顯示電流密度對(duì)氧化鋁涂層的熱控性能影響較小。

2. 1. 2溶液溫度

控制電流密度為1 A/dm2，測(cè)量不同溶液溫度下所得氧化鋁涂層的熱物理性能如圖2所示?？梢娙芤簻囟葘?duì)氧化鋁涂層的熱物理性能有一定的影響。隨著溫度升高，氧化鋁涂層的半球發(fā)射率和太陽吸收比均呈增大趨勢(shì)。

圖1　熱物理性能與電流密度的關(guān)系Figure 1　Relationship between thermal physical property and current density

圖2　熱物理性能和溶液溫度的關(guān)系Figu re 2　Relationship betw een thermal physical property and bath tem perature

綜合考慮，后文研究均在電流密度1 A/dm2，溶液溫度（18 ± 0.5） °C的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

2. 2氧化鋁涂層厚度對(duì)氧化鋁涂層的熱物理性能的影響

圖3顯示了氧化鋁涂層的熱物理性能與其膜厚的關(guān)系。

圖3　熱物理性能與氧化鋁涂層厚度的關(guān)系Figure 3　Relationship between thermal physical property and film thickness of anodic oxide coating

從圖3可見，氧化鋁涂層的厚度對(duì)其熱控性能有顯著影響，特別是Hε，鋁基體僅有0.06，幾乎無熱輻射能力。隨著氧化鋁涂層增厚，Hε迅速增大，當(dāng)膜厚達(dá)到4 ～ 5 μm時(shí)，增速趨緩。sα也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng)膜厚達(dá)到2 μm后即進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域。

2. 3化學(xué)拋光對(duì)氧化鋁涂層熱物理性能的影響

分別采用2種方式對(duì)各5塊樣品進(jìn)行前處理。一種是常規(guī)工藝，即僅是普通的除油和酸洗，另一種增加了化學(xué)拋光工序，所用拋光液為常用的三酸溶液［m（磷酸）∶m（硫酸）∶m（硝酸） = 90∶3∶7］。化學(xué)拋光對(duì)氧化鋁涂層熱物理性能的影響見表1。

表1　化學(xué)拋光對(duì)氧化鋁涂層熱物理性能的影響Tab le 1　In fluence of chem ical polishing on thermal physical p roperty of anodic oxide coating

由表 1可知，化學(xué)拋光會(huì)導(dǎo)致氧化鋁涂層半球發(fā)射率和太陽吸收比下降，其中太陽吸收比下降幅度較大，平均下降約20%?？刹扇∵@種方法處理有低sα要求的產(chǎn)品。另外，化學(xué)拋光能改善材料的表面狀態(tài)，提高表面一致性，減小sα的波動(dòng)范圍，有利于熱控設(shè)計(jì)。

2. 4真空釬焊對(duì)氧化鋁涂層熱物理性能的影響

在實(shí)際工程中，產(chǎn)品并不是常規(guī)狀態(tài)下的鋁合金，通常都會(huì)經(jīng)過若干道加工工序，其中真空釬焊是鋁合金器件加工成型的常用手段之一，對(duì)具有復(fù)雜形腔的零件（如裂縫波導(dǎo)、微波組件盒體等）具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但研究發(fā)現(xiàn)真空釬焊過程會(huì)給氧化鋁涂層的熱物理性能帶來不利影響，造成sα顯著增大，超出通常情況下± （0.02 ～ 0.03）的波動(dòng)范圍。為此，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

將試片分為2組，第一組C1-C5放入真空釬焊爐隨實(shí)際零件一起模擬真空釬焊過程，主要過程為：零件清洗干凈后放入真空爐，抽真空至8.5 × 10-3Pa時(shí)開始加熱，然后沿著設(shè)定的升溫曲線加熱至焊接溫度570 °C，真空度達(dá)1.5 × 10-3Pa，該溫度下保持約240 m in，然后停止加熱，自然冷卻，取出試片待用。第二組D1-D5為常規(guī)狀態(tài)下的鋁合金。2組試片經(jīng)相同的氧化過程后，常規(guī)狀態(tài)鋁合金上所制氧化鋁涂層的sα分別為0.32、0.31、0.33、0.34和0.32，而經(jīng)過真空釬焊過程的鋁合金上的氧化鋁涂層的sα顯著升高，分別為0.38、0.37、0.38、0.38和0.36，平均提高幅度約為0.04。利用SEM觀察二者斷面（見圖4），可見經(jīng)過真空釬焊的鋁合金出現(xiàn)數(shù)微米厚的異常層，明顯有別于常規(guī)鋁合金?？赡艿脑蚴卿X合金在真空釬焊過程中由于長(zhǎng)時(shí)間處在高溫環(huán)境，加之真空爐中放置過鎂粉等其他物質(zhì)，即便在真空環(huán)境下表面也會(huì)發(fā)生一定程度的氧化等化學(xué)反應(yīng)及可能受到污染，該異常層的組織狀態(tài)與正常的鋁合金有所區(qū)別，化學(xué)成分也可能不同，因此在其上形成的氧化鋁涂層不同于正常鋁合金上的氧化膜，從而導(dǎo)致熱物理性能變化。

圖4　常規(guī)和經(jīng)過真空釬焊過程的鋁合金斷面形貌Figure 4　Fracture morphologies of common and vacuum brazed alum inum alloys

真空釬焊過程會(huì)使氧化鋁涂層的sα發(fā)生較大變化，為消除其影響，可加大堿腐蝕力度。堿溶液成分為氫氧化鈉25 g/L、碳酸鈉45 g/L、磷酸鈉55 g/L，溫度為62 °C。表2為不同堿蝕時(shí)間后氧化鋁涂層的sα。從表2可知，隨著堿蝕時(shí)間延長(zhǎng)，異常層被逐漸去除，堿蝕3 min時(shí)，異常層基本去除干凈，此時(shí)再進(jìn)行陽極氧化，獲得的氧化鋁涂層的sα與常規(guī)鋁合金基本一致。

表2　堿蝕不同時(shí)間后所得氧化鋁涂層的太陽吸收比Table 2　Solar absorptance of the anodic oxide coating after alkaline etching for different time

2. 5氧化鋁涂層的性能

2. 5. 1氧化鋁涂層在室內(nèi)環(huán)境下的穩(wěn)定性

將在溫度（18 ± 0.5） °C、電流密度1 A/dm2下制備的陽極氧化試片（膜厚5 μm）自然放置在室內(nèi)環(huán)境中，考察氧化鋁涂層熱物理性能的穩(wěn)定性，結(jié)果見表3。可見所得氧化鋁涂層在大氣環(huán)境下十分穩(wěn)定，1年后其熱物理性能無明顯變化。

表3　室內(nèi)環(huán)境放置一年后氧化鋁涂層　sα、Hε 的變化Table 3　Variation ofsαand　Hε of the anodic oxide coating after one year exposure under indoor environment

2. 5. 2氧化鋁涂層的抗原子氧能力

大多數(shù)低地球軌道（LEO）航天器都運(yùn)行在高度小于1 000 km的近圓軌道，原子氧（AO）是該軌道空間的主要大氣成分，由太陽紫外線對(duì)氧分子的解離而產(chǎn)生［3］。航天器在軌運(yùn)行過程中，暴露在星外的熱控層會(huì)遭受原子氧的“沖刷”，抗原子氧能力是考量熱控涂層實(shí)用性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)條件為：束流密度 1015/（cm2·s），真空度小于10-2Pa，總遭遇量1.6 × 1020個(gè)/cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4?？芍趸X涂層在原子氧環(huán)境下較為穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)前后Hε 和sα變化均不超過0.01。

表4　原子氧試驗(yàn)前后氧化鋁涂層的半球發(fā)射率和太陽吸收比Table 4　Hem ispherical em ittance and solar absorptance of anodic oxide coating before and after atom ic oxygen erosion test

2. 5. 3真空揮發(fā)性能測(cè)試

按QJ 1558-1988《真空中材料揮發(fā)性能測(cè)試方法》測(cè)試了鋁合金陽極氧化試片在空間環(huán)境下的總質(zhì)量損失（TML）、收集到的可凝揮發(fā)物（CVCM）和水蒸汽回吸量（WVR）。測(cè)試條件為：真空度10-4Pa，溫度（125 ± 1） °C。氧化鋁涂層在真空環(huán)境下的TML為0.07%、CVCM為0.0%、WVR為0.02%，均很小，遠(yuǎn)低于航天器材料真空環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的TML必須低于1.00%、CVCM必須低于0.1%的要求［4］。

3　結(jié)語

鋁合金陽極氧化膜在原子氧環(huán)境下具有良好的穩(wěn)定性，是衛(wèi)星有效載荷熱控設(shè)計(jì)的重要選項(xiàng)之一。但氧化鋁涂層的熱物理性能（即太陽吸收比sα和熱輻射率Hε）受多種因素影響，不僅包括氧化工藝和前處理方式，而且包括前道工序的加工方法、材料自身表面狀態(tài)等。因此，要獲得具有特定Hε和sα且一致性好的陽極氧化膜，除選用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)外，還必須對(duì)零件生產(chǎn)的全流程進(jìn)行精確控制，確保其進(jìn)入陽極氧化前的表面狀態(tài)一致。

［1］ 趙飛明， 張廉正， 曾一兵， 等. 低太陽吸收率αs高發(fā)射率ε有機(jī)硅熱控涂層進(jìn)展［J］. 宇航材料工藝， 1998， 28 （3）: 11-14， 48.

［2］ 王旭東， 何世禹， 楊德莊， 等. 美國(guó)用于空間站輻射器中的熱控涂層［J］. 宇航材料工藝， 2002， 32 （1）: 12-18.

［3］ 李濤， 姜海富， 劉向鵬， 等. 空間原子氧環(huán)境對(duì)常用熱控涂層的影響［J］. 航天器環(huán)境工程， 2012， 29 （3）: 268-272.

［4］ 馮偉泉. 航天器材料空間環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)與認(rèn)定準(zhǔn)則研究［J］. 航天器環(huán)境工程， 2010， 27 （2）: 139-143.

［ 編輯：杜娟娟 ］

Factors affecting thermal physical properties of anodic oxide coating on aluminum alloy for thermal control purpose

HU Jiang-hua*， LU Hai-yan， WU Xiao-xia

Anodic oxide coating was obtained on 3A21 aluminum alloy by sulfuric acid anodization. The effects of bath temperature， current density， film thickness， vacuum brazing and chemical polishing on hemispherical emittance （Hε） and solar absorptance （sα） of the anodic oxide coating were studied， and its stability and atom ic oxygen erosion resistance were tested. The anodic oxide coating w ith specific thermal physical properties can be obtained by appropriate process， meeting the requirements of thermal control coating for satellite payloads.

aluminum alloy； anodic oxide coating； hemispherical emittance； solar absorptance； thermal control design

V252； TG178

A

1004 - 227X （2016） 12 - 0614 - 05

2016-03-16

2016-03-29

胡江華（1965-），男，安徽懷寧人，高工，主要從事電鍍及化學(xué)轉(zhuǎn)化膜方面的研究工作。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） hjhcetc38@163.com。