衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板涂裝無機熱控涂層工藝

周華珍 吳 瓊 高國立 董 理 白晶瑩

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100194）

0 引言

熱控涂層是航天器熱控制系統(tǒng)的重要組成部分，是專門用于調(diào)整固體表面熱輻射性能，進而達(dá)到對物體溫度控制的表面材料。對于長壽命衛(wèi)星熱控涂層，因其通常暴露于航天器外表面，受到多種空間輻射效應(yīng)的影響，涂層性能會產(chǎn)生不同程度的退化，所以熱控涂層的性能穩(wěn)定性會影響航天器的可靠性與穩(wěn)定性。因此，對于應(yīng)用在航天器外表面的涂層，必須選擇耐紫外輻照性能優(yōu)異的涂層。研究表明無機白漆熱控涂層吸收率低，空間性能穩(wěn)定，耐紫外線輻照性能優(yōu)良，相比于有機熱控涂層耐空間老化性能更好[1-2]，因此航天器外表面涂裝的涂層一般為無機熱控涂層。

鋁蜂窩鋁蒙皮夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)因具有質(zhì)量輕、綜合力學(xué)性能優(yōu)異、性能可設(shè)計、容錯性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部件上[3]，為保證衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在太空環(huán)境的穩(wěn)定性，需在結(jié)構(gòu)板鋁蒙皮外表面涂裝無機白漆涂層。但因無機白漆在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板表面屬于首次涂裝應(yīng)用，所以正式實施前需對涂裝工藝進行研究。本文主要介紹具體的涂裝工藝。

1 無機白漆熱控涂層特點及主要性能指標(biāo)

無機白漆熱控涂層因為是首次應(yīng)用在結(jié)構(gòu)板表面，為保證涂裝質(zhì)量，需重點從以下幾方面進行研究。

（1）無機白漆對基材比較苛刻，必須在粗糙的鋁基材表面涂裝才能保證涂層的結(jié)合力，因此在涂裝前需對基材進行深度打磨粗化。但是結(jié)構(gòu)板的鋁蒙皮只有0.3～0.5 mm，深度打磨是否會降低結(jié)構(gòu)板的強度，需要進行驗證。

（2）無機熱控涂層的固化溫度有兩種，高溫120℃和較低溫85℃，但因鋁蜂窩鋁蒙皮夾層結(jié)構(gòu)耐溫不超過90℃，所以結(jié)構(gòu)板表面涂裝無機白漆需采用不超過90℃的較低溫烘烤固化工藝。因此，需驗證無機白漆熱控涂層采用較低溫度（85℃/12 h）固化時，涂層各項性能指標(biāo)是否滿足要求。

（3）涂層只有具備優(yōu)良的結(jié)合力才能實現(xiàn)其自身的優(yōu)良性能，因此涂裝后的涂層結(jié)合力需要重點研究。

（4）涂裝后的涂層需滿足下列各項性能指標(biāo)的要求：

a）外觀均應(yīng)均勻、無氣泡、無裂紋、無剝落等缺陷；

b）涂層厚度≥于120 μm；

c）涂層面密度為260～380 g/m2；

d）涂層的太陽吸收比αS＝0.17±0.02，半球發(fā)射率εH＝0.92±0.02；

e）經(jīng)熱循環(huán)試驗：[液氮（1 min）～100℃（4 min）]，冷熱交變100次，無機白漆熱控涂層外觀質(zhì)量良好，表面均勻，無起泡、裂紋、剝落等現(xiàn)象。

2 試驗

2.1 主要原材料及試驗件

2.1.1 主要原材料

無機白漆、無水乙醇。

2.1.2 試驗件情況

大試驗件一共6件：其中0.3和0.5 mm厚蒙皮的結(jié)構(gòu)板試驗件各3件[3件尺寸分別為560 mm×1140 mm（1件）、700 mm×805 mm（2件）]、鋁合金小試片一共25件：其中40 mm×40 mm的20件，70 mm×120 mm的5件。

在工藝試驗后需進行無機白漆熱控涂層的熱輻射性能、面密度等參數(shù)測試，需同批噴涂試片以供測試使用，小試片是用來測試涂層的熱輻射性能，大試片是用來測試涂層的面密度，具體見表1。

表1 工藝試驗種類Tab.1 Classification of tests

2.2 無機白漆熱控涂層涂裝制備

第1種試驗件：首先對結(jié)構(gòu)板試驗件所有的螺紋孔、通孔、光孔、鋁基包邊等使用3M膠帶進行保護，然后采用80#砂紙對非保護區(qū)域進行深度打磨至表面呈現(xiàn)縱橫交錯打磨紋路，打磨后要求整個噴涂區(qū)域均布滿明顯均勻的垂直交叉打磨痕跡，手摸有明顯粗糙感。然后用乙醇多次清潔。在清潔后的試驗件表面采用空氣噴涂的方式涂裝無機白漆。鋁合金試片做相同處理。

工藝流程大致如：保護→打磨→清潔→配漆→噴涂→烘烤固化→去保護→性能測試。

第2種試驗件：采用與第1種試驗件相同的打磨處理，但不噴漆。

工藝流程大致如：保護→打磨→性能測試。第3種試驗件：對比件，不做任何處理。

2.3 性能檢測

涂層外觀通過肉眼觀察。

涂層厚度采用精度為±3 μm的測厚儀測量。

涂層面密度：指單位面積的涂層質(zhì)量，通過計算涂層質(zhì)量（試驗件噴涂前后質(zhì)量差值）與涂層面積（實際噴涂面積，可用直尺測量并計算）的比值得出。

涂層熱輻射性能測試：按照GJB2502.2—2006采用分光光度計測試太陽吸收比，按照GJB2502.3—2006采用半球發(fā)射率測試儀測試半球發(fā)射率。

涂層結(jié)合力：冷熱循環(huán)表征，條件為液氮（1 min）～100 ℃（4 min），冷熱交變100次。

結(jié)構(gòu)板強度：按照GB/T1456—2005檢測蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板面板的彈性模量、彎曲強度和結(jié)構(gòu)板芯子的剪切模量。

涂層表面及橫截面形貌：采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 打磨工藝的影響

使用手持顯微鏡觀察打磨后的表面微觀形貌如圖1所示，從深度打磨的表面形貌可以看出，打磨后的表面呈現(xiàn)縱橫交錯的打磨紋路。

圖1 打磨表面的粗糙度顯微測試結(jié)果Fig.1 The microscopic test results of roughness after grinding

打磨試驗要考察的性能主要有兩個：一是打磨前后鋁蜂窩鋁蒙皮結(jié)構(gòu)強度是否變化，即打磨是否影響結(jié)構(gòu)板的強度；二是打磨是否能保證無機白漆熱控涂層的涂層結(jié)合力。

3.1.1 打磨對結(jié)構(gòu)板強度的影響

采用相同尺寸的打磨樣件與非打磨樣件做強度對比測試，結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果顯示，0.3 mm厚蒙皮未打磨的結(jié)構(gòu)板三個指標(biāo)分別為（88～97.2）GPa、（298.5～307.6）MPa、（94～109.5）MPa，經(jīng)過深度打磨的結(jié)構(gòu)板三個強度指標(biāo)分別為（88～92）GPa、（294.3～300.5）MPa、（94.9～108.4）MPa，與非打磨樣件對比，數(shù)值變化很小，均在結(jié)構(gòu)板強度要求的范圍之內(nèi)。

0.5 mm厚蒙皮未打磨的結(jié)構(gòu)板三個指標(biāo)分別為（91～108.9） GPa、（257.4～271）MPa、（118～137.6）MPa，經(jīng)過深度打磨的結(jié)構(gòu)板三個強度指標(biāo)分別為（90.4～108.8） GPa、（247.4～263.9） MPa、（92.6～122）MPa，與非打磨樣件對比，數(shù)值變化很小，均在結(jié)構(gòu)板強度要求的范圍之內(nèi)。

因此，無機白漆涂裝前的打磨工藝能夠保證薄壁蜂窩夾層強度要求。

表2 打磨樣件與非打磨樣件的強度對比Tab.2 The strength comparisons between polished and non-polished samples

3.1.2 打磨對無機白漆熱控涂層結(jié)合力的影響

將第1種涂裝無機白漆熱控涂層的結(jié)構(gòu)板切割成多件100 mm×100 mm尺寸的小蜂窩夾層試件。并對兩種蒙皮厚度各選取6件試驗件進行熱循環(huán)試驗，試驗條件為液氮（1 min）～100℃（4 min），冷熱交變100次。

經(jīng)過100次熱循環(huán)后的狀態(tài)如圖2所示。可以看出：熱循環(huán)試驗后的試件表面無機白漆熱控涂層外觀質(zhì)量良好，表面均勻，無起泡、裂紋、剝落等現(xiàn)象。

圖2 無機白漆熱控涂層熱循環(huán)試驗后的照片F(xiàn)ig.2 Photos of inorganic thermal control coating after thermal cycling test

熱循環(huán)前后涂層的表面微觀形貌和橫截面形貌如圖3和圖4所示，由圖3涂層的表面微觀形貌可以看出，無機涂層表面呈凹凸不平的顆粒狀，較粗糙，這主要與無機涂層的組成及本身的制造工藝有關(guān)。通過對比熱循環(huán)前后的照片，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過100次熱循環(huán)，無機涂層的微觀形貌并無明顯變化。

圖3 熱循環(huán)前后涂層表面的微觀形貌Fig.3 SEM photographs of the coating before and after thermal cycling test

圖4 熱循環(huán)前后涂層表面的橫截面形貌Fig.4 SEM photographs of the cross-section of the coating before and after thermal cycling test

由圖4涂層的橫截面照片可以看出，無機涂層厚度約為150 μm。涂層橫截面缺陷較大，這主要是因為無機涂層屬于陶瓷類涂層，在拋光制樣時涂層繃瓷所致。由a1和b1較大倍數(shù)的橫截面照片可以看出，涂層附著在粗糙度較大的鋁合金基體表面，二者之間結(jié)合緊密，這主要是與基材粗化打磨的處理方式有關(guān)。經(jīng)100次常壓熱循環(huán)后的無機涂層與基體界面形貌變化不明顯，可以說明涂層與基材之間結(jié)合牢固。

綜上，熱循環(huán)前后涂層外觀（宏觀結(jié)構(gòu)）、微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)合力等性能均無明顯變化，可以說明熱循環(huán)前后涂層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性沒有發(fā)生變化。因此采用深度打磨的工藝可以滿足涂層良好結(jié)合力的要求。

3.2 固化溫度對涂層性能的影響

無機白漆熱控涂層需進行較低溫烘烤固化，采用的固化條件為涂層從室溫升溫至85℃，烘烤12 h。烘烤后的涂層進行外觀、厚度、熱輻射性能檢測。

3.2.1 涂層外觀

無機白漆熱控涂層涂裝后用肉眼檢查涂層外觀，可以看出涂層均勻良好，呈白色，無氣泡、無裂紋、無剝落等缺陷。圖5為結(jié)構(gòu)板試驗件局部涂層照片。

圖5 無機白漆熱控涂層照片F(xiàn)ig.5 Photos of inorganic thermal control coating

3.2.2 涂層厚度及面密度檢測

使用精度為±3 μm的測厚儀對結(jié)構(gòu)板表面的涂層厚度進行檢測，0.3和0.5 mm厚蒙皮的試件涂裝無機白漆熱控涂層后的厚度范圍為146～258 μm，所有70 mm×120 mm試片表面無機白漆熱控涂層的厚度范圍在140～262 μm，均滿足無機白漆熱控涂層厚度≥120 μm的要求，如表3所示。

表3 無機白漆熱控涂層試件厚度及面密度記錄Tab.3 The thickness and surface density of inorganic thermal control coating of structural slab

0.3和0.5 mm厚蒙皮的試件涂裝無機白漆熱控涂層后的面密度為 344～372 g/m2，所有 70 mm×120 mm試片表面的無機白漆熱控涂層的面密度范圍為332～358 g/m2，如表4所示，均滿足無機白漆熱控涂層面密度260～380 g/m2的要求。

表4 無機白漆熱控涂層試片厚度及面密度記錄Tab.4 The thickness and surface density of inorganic thermal control coating on aluminum alloy specimens

3.2.3 熱輻射性能指標(biāo)

對同批噴涂的鋁合金小試片（40 mm×40 mm）GJB 2502.2—2006《航天器熱控涂層試驗方法第2部分：太陽吸收比測試》以及GJB 2502.3—2006《航天器熱控涂層試驗方法第3部分：發(fā)射率測試》，采用分光光度計和半球發(fā)射率測試儀測試其表面涂層的太陽吸收比和半球發(fā)射率值。無機白漆熱控涂層涂裝后的熱輻射性能檢測數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 無機白漆熱控涂層熱輻射性能檢測結(jié)果Tab.5 The solar absorptance and emissivity of inorganic thermal control coating on aluminum alloy specimens

從表5中可以得出，無機白漆熱控涂層的太陽吸收比為0.17～0.18，半球發(fā)射率εH為0.92～0.93。

綜上，無機白漆熱控涂層采用較低溫烘烤固化方式最終得到的涂層各項性能指標(biāo)均滿足要求。

4 結(jié)論

（1）衛(wèi)星蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板涂裝無機白漆熱控涂層涂裝前處理采用80#砂紙對蒙皮進行縱橫交錯打磨2～3遍，試驗表明打磨工藝能夠滿足涂層附著力要求，通過冷熱循環(huán)試驗后涂層無脫落、剝離等現(xiàn)象產(chǎn)生。另外打磨工藝參數(shù)對結(jié)構(gòu)板薄壁蜂窩夾層強度無影響，0.3和0.5 mm厚度蒙皮均能滿足結(jié)構(gòu)板蜂窩夾層強度要求。

（2）采用85℃/12 h較低溫烘烤固化工藝對結(jié)構(gòu)板表面無機白漆進行固化，結(jié)果表明固化后的涂層外觀、厚度、熱輻射性能等指標(biāo)均滿足要求。目前該涂裝工藝技術(shù)已在多型號結(jié)構(gòu)板表面進行應(yīng)用。