BN-1 超高吸收導電消光鍍層性能及其空間環(huán)境穩(wěn)定性研究

程德，王景潤，覃業(yè)深，趙瀲景，郭中增，王旭光，白晶瑩，李思振

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

光學構件表面的雜散光會干擾光學相機、星敏感器對正常光學信號的捕捉，從而影響到航天器光學成像的質量以及姿軌控精度[1-2]。為消除內部光線的漫反射等雜散光的影響，光學相機、星敏感器等光學構件表面應鍍覆黑色等具有高吸收率的消雜光功能涂鍍層。

作為航天器光學構件的關鍵材料之一，國內外對消雜光功能涂鍍層開展了大量研究[3-13]。英國公司開發(fā)的Super Black 涂層和Vanta Black 涂層的太陽吸收比αs>0.99，俄羅斯開發(fā)的AK-512 涂層、AK-243 涂層以及美國公司開發(fā)的Marting Black 涂層、J-black涂層等也實現(xiàn)了應用。我國航天器光學構件應用的多為進口消雜光涂層產(chǎn)品，涂層αs約為0.97。在航天器光學構件消雜光技術研究方面，國內單位以北京衛(wèi)星制造廠有限公司、中國科學院上海有機化學研究所等單位為主，消雜光技術主要包括鋁合金超黑陽極氧化、電鍍黑鎳、黑銅以及黑色熱控涂層等，αs為0.92～0.97。

基于型號研制需求，本項目組開展了BN-1 鍍層制備技術研究，以解決航天器光學構件表面導電消光表面處理的需求，BN-1 鍍層αs>0.98，接觸電阻<5 mΩ，應用狀態(tài)良好。本文對BN-1 鍍層的微觀結構、導電消光性能進行了表征，并針對航天器近地軌道環(huán)境中存在的大量原子氧以及高真空下的紫外輻照對鍍層性能的影響開展了BN-1 鍍層空間抗輻照性能測試，從而判斷BN-1 鍍層的空間環(huán)境穩(wěn)定性。

1 實驗

1.1 BN-1 鍍層試樣制備

BN-1 鍍層采用微納刻蝕的方法在化學鍍層表面制備微納消光結構，在具備超高吸收性能的前提下，保留鍍層的導電性。BN-1 為鍍層代號。

試驗樣品為鋁合金試片，牌號為2A12T4，規(guī)格為40 mm×40 mm×2 mm。按照工藝流程“有機溶劑除油→堿洗→酸洗→浸鋅→鍍層制備→微納刻蝕”，制備BN-1 導電消光鍍層。其中有機溶劑除油為無水乙醇擦拭除油；堿洗溶液為15～25 g/L 的氫氧化鈉溶液，溶液溫度為70～80℃，堿洗時間為60～90 s；酸洗溶液為300～400 g/L 的硝酸溶液，溶液溫度為常溫，酸洗時間為60～120 s；浸鋅溶液組分為氫氧化鈉110～120 g/L、氧化鋅 20～25 g/L、硝酸鈉 1～2 g/L、酒石酸鉀鈉20～25 g/L，溶液溫度為常溫，浸鋅時間為30～60 s。通過鍍覆后刻蝕獲得具有毛絨狀“光陷阱”的微納尺度導電消光鍍層結構，所得導電消光鍍層厚度為10～15 μm。

1.2 測試分析方法

鍍層微觀形貌通過ZEISS SUPER 55VP 型SEM觀察。三維形貌通過VK-X200 激光3D 顯微鏡進行表征。采用INCA 能譜儀半定量分析鍍層元素含量。

鍍層導電性能采用接觸電阻測試儀按照QJ 1827《低阻值金屬鍍覆層和化學轉換膜層接觸電阻測試方法》進行測量。

鍍層消光性能采用太陽吸收比αs進行表征，αs是吸收與入射的太陽輻射能通量之比，采用UV3100 分光光度計測試，測試方法按照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》執(zhí)行。

輻照試驗測試試樣耐原子氧和真空-紫外輻照情況，按照GJB 2502 的規(guī)定執(zhí)行，具體試驗條件如下。

1）原子氧輻照試驗條件：真空度優(yōu)于1.3×10–3Pa；輻照總通量為 2.0×1021atoms/cm2，通量為 5.0×1015atoms/(cm2·s)，加速因子為5。測試輻照前后鍍層的αs。

2）真空-紫外輻照試驗條件：真空度優(yōu)于1.3×10–3Pa，輻照劑量為5000 ESH（當量太陽小時），加速因子為5。測試輻照前后鍍層的αs。

2 結果及分析

2.1 BN-1 鍍層的微觀形貌及元素組成

BN-1 鍍層的外觀如圖1 所示，為均勻的深黑色。BN-1 鍍層刻蝕前后的微觀SEM 形貌如圖2 所示?？梢钥闯觯儗涌涛g前為致密的胞狀結構，刻蝕后鍍層表面均布大量微小的絨毛狀結構，絨毛結構介于微米與納米尺度之間。BN-1 鍍層刻蝕前后的三維光學微觀形貌如圖3 所示。鍍層刻蝕后表面粗糙，鍍層結構與SEM 照片結果基本一致。BN-1 鍍層刻蝕前后的元素組成如圖4 所示?？涛g前，鍍層以Ni、P 元素為主要成分；刻蝕后，鍍層中除了Ni、P 元素外，還出現(xiàn)了O 元素，說明刻蝕后形成了一定量的Ni、P 氧化物。由此推斷出，BN-1 鍍層所具有的微納尺度絨毛狀“光陷阱”結構，是鍍層具備超高吸收消雜光性能的結構基礎，而氧化物的出現(xiàn)為鍍層實現(xiàn)超高吸收消雜光提供了物質基礎。

圖1 BN-1 鍍層外觀Fig.1 Photos of BN-1 coating

圖2 BN-1 鍍層微觀形貌Fig.2 SEM images of BN-1 coating: a) before etching; b) after etching

圖3 BN-1 鍍層光學3D 微觀形貌Fig.3 3D optic images of BN-1 coating: a) before etching; b) after etching

圖4 BN-1 鍍層成分Fig.4 Element composition of BN-1 coating: a) before etching; b) after etching

2.2 BN-1 鍍層的導電消光性能

10 個批次連續(xù)生產(chǎn)的BN-1 鍍層的接觸電阻測試結果如圖5 所示。由圖5 可以看出，鍍層接觸電阻為2～3 mΩ，能夠滿足多數(shù)光學構件對鍍層導電性能的需求。鍍層接觸電阻的測試數(shù)據(jù)隨鍍層批次變化不大，說明用鍍層刻蝕法制備的超高吸收導電消光鍍層的接觸電阻穩(wěn)定性好，工藝穩(wěn)定性較高。

圖5 BN-1 鍍層接觸電阻批次穩(wěn)定性Fig.5 Stability of batches of BN-1 coating contact resistance

200～2500 nm 波段BN-1 鍍層的吸收率變化如圖6 所示，10 個批次連續(xù)生產(chǎn)的BN-1 鍍層的αs測試結果如圖7 所示。由圖6、圖7 可以看出，鍍層αs>0.98，且隨鍍層批次變化不大。這說明鍍層刻蝕法制備的BN-1 鍍層的消光性能穩(wěn)定性好，工藝穩(wěn)定性較高。

圖6 BN-1 鍍層的吸收率變化光譜Fig.6 Absorption spectrum of the BN-1 coating

圖7 BN-1 鍍層太陽吸收比批次穩(wěn)定性Fig.7 Stability of batches of BN-1 coating solar absorption ratio

2.3 空間輻照環(huán)境對BN-1 鍍層的影響

2.3.1 原子氧對BN-1 鍍層性能的影響

在航天器低軌道環(huán)境中，氧氣在紫外等作用下能夠電離為具有極強氧化能力和高速碰撞能量的原子氧。原子氧對材料表面的高溫氧化、高速撞擊伴隨著提取、添加、置換、析出、嵌入等過程，會使大部分有機材料含有的C、H、O、N、S 分子鍵發(fā)生斷裂，生成CO、CO2、水蒸氣等氣相揮發(fā)物，造成材料質損、光學性質、熱學性質等性能參數(shù)退化，材料的物理、化學性質發(fā)生變化，影響航天器的正常運行[14-20]。BN-1 鍍層是具有超高吸收性能的無機熱控鍍層，為了滿足航天器長壽命服役要求，有必要對其耐原子氧性能進行考察。

原子氧試驗前后鍍層的外觀狀態(tài)如圖8 所示。圖8 表明，原子氧試驗后，BN-1 鍍層狀態(tài)良好，為均勻的深黑色，未發(fā)現(xiàn)起皮、開裂、脫落等現(xiàn)象。原子氧試驗后鍍層的微觀形貌如圖9 所示。從SEM 照片可以看出，原子氧輻照后，鍍層的絨毛狀消光結構完好，沒有脫落退化的跡象。BN-1 鍍層原子氧暴露前后的吸收率變化光譜見圖10。BN-1 鍍層原子氧實驗前后αs的變化見表1。由上述結果可知，隨著輻照劑量的增加，BN-1 鍍層的αs逐漸降低，降速由快變慢，從0.9830 下降至0.9781，Δαs=0.0049。原子氧輻照前后BN-1 鍍層αs變化值不超過0.01，說明BN-1 鍍層性能相對穩(wěn)定，具有較好的耐原子氧性能。這是由于BN-1 鍍層是由無機Ni、P 及其氧化物形成的鍍層，在原子氧輻照實驗中性質穩(wěn)定，原子氧不會對Ni、P及其氧化物造成明顯的物理、化學性質改變。

圖8 原子氧輻照前后BN-1 鍍層外觀狀態(tài)Fig.8 Appearance state of the BN-1 coating before and after AO exposure: a) before AO exposure; b) after AO exposure

圖9 原子氧輻照后BN-1 鍍層微觀形貌Fig.9 SEM images of BN-1 coating after AO exposure

圖10 BN-1 鍍層原子氧輻照過程的吸收率變化光譜Fig.10 Absorption spectrum of the BN-1 coating during AO exposure

表1 BN-1 鍍層原子氧暴露前后的αs 變化Tab.1 αs value of the BN-1 coating before and after AO exposure

2.3.2 真空-紫外輻照對BN-1 鍍層性能的影響

在航天器的真空軌道環(huán)境中，雖然紫外光占太陽輻射總能量的百分比較小，但是真空-紫外輻照是造成航天器熱控涂層老化變色、光學性能下降的重要原因[21-25]?；诤教炱鏖L壽命服役方面的考慮，有必要對其耐真空-紫外性能進行研究。

真空-紫外輻照試驗前后鍍層的外觀狀態(tài)如圖11所示。圖11 表明，真空-紫外輻照試驗后，BN-1 鍍層狀態(tài)良好，為均勻的深黑色，未發(fā)現(xiàn)起皮、開裂、脫落等現(xiàn)象。從真空-紫外輻照試驗后鍍層的SEM 照片（見圖12）可以看出，真空-紫外輻照后，鍍層的絨毛狀消光結構完好，沒有脫落退化的跡象。圖13給出了BN-1 鍍層真空-紫外暴露前后的吸收率變化光譜圖。BN-1 鍍層真空-紫外實驗前后αs的變化見表2。由上述結果可知，在輻照的不同階段，BN-1 鍍層的αs較為穩(wěn)定。當輻照劑量達到5000 ESH 時，BN-1 鍍層αs出現(xiàn)輕微上升。紫外輻照前后，BN-1 鍍層的αs從0.9823 增加至0.9832，Δαs<0.01，說明BN-1 鍍層性能相對穩(wěn)定，具有較好的抗紫外輻照性能。這也說明由無機Ni、P 及其氧化物形成的BN-1 鍍層，在真空-紫外輻照實驗中性質穩(wěn)定，真空-紫外輻照不會對Ni、P 及其氧化物造成明顯的物理、化學性質改變。

圖11 真空-紫外輻照前后BN-1 鍍層外觀狀態(tài)Fig.11 Appearance state of the BN-1 coating before and after VUV irradiation: a) before VUV irradiation; b) after VUV irradiation

圖12 真空-紫外輻照后BN-1 鍍層的微觀形貌Fig.12 SEM images of BN-1 coating after VUV irradiation

圖13 真空-紫外輻照前后BN-1 鍍層的吸收率變化光譜Fig. 13 Absorption spectrum of BN-1 coating before and after VUV irradiation

表2 真空紫外輻照前后BN-1 鍍層的αs 變化Tab.2 αs value of BN-1 coating before and after VUV irradiation

3 結論

本研究對BN-1 鍍層進行了微觀形貌、導電消光性能、原子氧及真空-紫外輻照模擬試驗。通過分析，得出以下結論：

1）BN-1 鍍層通過刻蝕在化學鍍層表面獲得了微納尺度的絨毛狀消光結構，αs>0.98，鍍層接觸電阻<5 mΩ，具有優(yōu)異的導電消光性能。

2）BN-1 鍍層的αs隨著原子氧輻照劑量的增加逐漸降低，從0.9830 下降至0.9781，αs變化不超過0.01，說明鍍層性能相對穩(wěn)定，具有較好的耐原子氧性能。

3）BN-1 鍍層在真空-紫外輻照過程中，αs較為穩(wěn)定。當輻照劑量達到5000 ESH 時，αs出現(xiàn)輕微上升趨勢。紫外輻照前后，BN-1 鍍層的αs從0.9823 增加至0.9832，說明紫外輻照后鍍層性能退化較小，BN-1 鍍層具有優(yōu)異的抗紫外輻照性能。

4）綜合原子氧與真空紫外輻照試驗結果來看，BN-1 鍍層空間環(huán)境穩(wěn)定性優(yōu)異，滿足航天器光學構件長壽命在軌運行應用需求。