1 引言
熱控塗層是太空飛行器被動熱控制系統中的重要組成部分, 它可以通過自身的熱物理特性即太陽吸收比( αs) 和發射率( ε) 來調節控制太空飛行器表面的溫度。從國內外已經發射的太空飛行器的故障分析可以發現,因熱控塗層的故障導致任務失敗的概率是很小的,但熱控塗層在空間環境下的退化卻限制了太空飛行器的在軌工作壽命。特別是在我國, 熱控塗層的發展水平已經成為我國發展空間站的制約因素之一。本文根據大量文獻, 對美國用於空間站輻射器中的熱控塗層進行了分析和對比, 以便為我國將來空間站中熱控塗層的使用提供信息。
使用在空間站輻射器中的熱控塗層應該具有低吸收—發射比( αs/ε) , 即低太陽吸收比和高發射率。同時美國對用於空間站輻射器中的熱控塗層還有嚴格的壽命要求, 塗層的地面存儲壽命要達到10 年,塗層在低地球軌道環境中的運行壽命要達到 30 年。滿足上述要求的低 αs/ ε型熱控塗層可以分為以下三個方面：(1) 白漆 ;(2) 二次表面鏡型塗層;(3) 陶瓷類保護塗層。其中, 白漆類塗層包括Z—93 、YB—71和 S13G/ LO—1 ;二次表面鏡型塗層包括鍍銀 F—46薄膜和光學太陽反射器( OSR) ;陶瓷類塗層即硫酸陽極化處理的鋁陽極氧化塗層。
2 熱控塗層的性能分析
2 .1 鍍銀 F —46 薄膜型熱控塗層
鍍銀F—46薄膜塗層的額定光學性能值為 αs=0.08, ε=0 .80, αs/ ε=0 .10 。聚四氟乙烯薄膜的厚度增加時 ,塗層的發射率要增加。鍍銀 F—46 薄膜的優點在於低αs/ ε比, 易於粘貼, 並且這種塗層在很多的太空飛行器上都得到了使用, 具有豐富的使用經驗。鍍銀F—46 薄膜的缺點在於在低地球軌道中會受到原子氧的侵蝕，這種塗層在低地球軌道中服役30 年塗層的厚度會減少 0 .127 mm, 塗層發生嚴重的質量損失, 因此聚四氟乙烯薄膜的厚度至少要達到 0.254 mm 以防止塗層的質量損失[ 1]。在鍍銀 F—46 薄膜的外表面粘貼一層厚度為1μm～5μm的石英玻璃可以減少由於原子氧侵蝕引起的質量損失。在美國, 聚四氟乙烯薄膜厚度為0.127 mm 的鍍銀F—46 薄膜的售價是 3.2美元/dm2, 聚四氟乙烯厚度為 0.254 mm 的鍍銀 F—46 薄膜的售價為 6美元/ dm2 。鍍銀 F—46 薄膜的粘貼工作是十分費時的, 需要熟練的技術工人, 可以達到6 .6 dm2/ h 。鍍銀 F—46 薄膜最為優越的特性在於它易於粘貼在曲面以及不規則的太空飛行器表面上[ 2]。
加工處理工藝上的差別會使鍍銀F—46薄膜的發射率不同, 塗層太陽吸收比的不同是由塗層製備過程中沉積銀的過程引起的。另外, 銀如果變暗也會引起塗層的太陽吸收比發生變化[ 3]。鍍銀F—46薄膜的汙染是比較容易清洗的, 使用不帶有棉絨的粗棉布沾著異丙醇 、甲醇 、乙醇 、丙酮或者是乙酸就可以將汙染物清除 。如果塗層上的汙染物不被清除,在空間環境條件下汙染物會同聚四氟乙烯反應,使塗層的光學性能發生退化並且使塗層發生質量損失。從美國「長期暴露設施」 ( LDEF ) 的實驗結果來看, 如果在塗層製備過程中粘結劑使用過多, 過多的粘結劑就會在原子氧環境中變成褐色, 使塗層的太陽吸收比顯著升高[ 4] 。
在低地球軌道中, 鍍銀 F—46 薄膜的表面要發生嚴重的表面反應, 這種表面反應是由於塗層暴露於原子氧環境中引起的。在 550 km 的軌道上, 由於原子氧的侵蝕作用預計鍍銀 F —46薄膜的質量損失每年會達到2.54 μm 。對於運行時間為 30 年的空間站, 鍍銀F—46 薄膜的質量損失會達到 76.2 μm。同時考慮到引起質量損失的其他因素, 例如汙染以及多種空間因素的合成作用, 如果不使用石英玻璃保護層, 30年間鍍銀 F—46薄膜的質量損失就會達到 0.127mm[ 5] 。鍍銀 F—46薄膜中的銀層容易受到原子氧的氧化作用。即使有聚四氟乙烯薄膜保護, 通過原子氧的擴散作用以及當塗層受到微流星和空間碎片的撞擊損傷後使銀層直接外露於空間環境時,原子氧都可以使銀層很快地變黑, 使塗層局部區域的光學性能發生退化 。在 LDEF 的空間暴露試樣上, 發現了在微流星和空間碎片撞擊形成的孔眼周圍出現了黑色的圓環[ 5] 。鍍銀F—46薄膜受原子氧侵蝕的程度與塗層被放置的方位有著很大的關係, 即塗層是面向原子氧撞擊還是背向原子氧撞擊。例如 :「 返回式太陽活動高年探測衛星」 ( SMS) 的鍍銀 F—46薄膜在經過空間暴露實驗後, 出現了明顯的裂化和變黃現象, 塗層的光學性能受到了嚴重的影響[ 6];然而從 STS—5 和 STS—8 的返回數據來看, 鍍銀F—46 薄膜並沒有發生明顯的退化[ 7] , 原因在於在「 返回式太陽活動高年探測衛星」上, 鍍銀F—46 薄膜是被放置在面向原子氧撞擊一側, 而 STS —5 和 STS —8 上的鍍銀 F—46薄膜受到了運載艙的屏蔽保護, 被放置在背向原子氧撞擊一側 。帶有石英玻璃保護層的鍍銀 F—46 薄膜在熱循環後出現了龜裂, 儘管出現了龜裂, 在原子氧的作用下帶有石英玻璃保護層的鍍銀F—46薄膜的質量損失仍然會明顯減少 。
2 .2 Z—93 型熱控塗層
Z—93 型熱控塗層是 1963 年美國 IITRI 研究院在馬歇爾空間飛行中心的資助下開發出的白漆塗層。Z—93 型熱控塗層的質地堅硬、厚度值大約為 0.127 mm, 額定光學性能為 αs =0 .15, ε=0.90, αs/ ε=0 .17 。這種塗層是以 ZnO 作為顏料, 以 K2SiO3 作為粘結劑。K2SiO3 具有較好的透光性,而且包膜厚度均勻, 結構緻密[ 8] 。Z—93 型熱控塗層的售價為 216美元/dm3, 1dm3 Z —93 塗料的塗覆面積大約為96 .6 dm2, 即Z—93 型塗層的售價為 2 .26美元/dm2 。Z—93型熱控塗層是採用傳統的噴塗方法進行塗覆, 塗覆工作並不象鍍銀F—46 薄膜的工作量那麼大, 對塗覆 、固化和檢驗這樣的工藝流程來說, 可以達到 9.3 dm2/h 。塗層在固化之後具有了一定的硬度, 能夠在加工以及在熱循環過程中防止脆性龜裂的出現。
在對Z—93型塗層進行塗覆時, 首先要對作為基材的金屬鋁表面進行清洗, 接下來要對金屬鋁表面進行蒸餾水衝洗, 然後進行烘乾, 最後進行噴砂處理, 以使表面粗化。在塗覆時, 首先要在金屬鋁表面塗覆一層底漆作為底層, 接著再用 Z—93 塗料塗覆兩遍, 使塗層的厚度達到 50 .8 μm 。然後要對塗層進行不完全的固化, 以使塗層和鋁基體之間獲得初步的附著性。為了獲得厚度達 0 .127 mm 的塗層, 至少還要用 Z—93塗料塗覆兩遍, 然後進行再次固化 。在塗層的存儲過程中, 應該使用蒙皮將製備好的 Z —93 型塗層保護起來, 並且要放置在乾燥的氮氣環境中。
Z—93 型熱控塗層的優點在於具有很低的吸收—發射比, 大量的空間應用和實驗數據以及在空間環境中良好的穩定性 。它的主要缺點在於 Z—93 型塗層的孔隙率達到 45 %, 大的孔隙率使其容易遭受汙染, 並且汙染物不容易被清洗 。對於油脂類的汙染物, Z—93 型塗層在原子氧的環境中具有自我清潔的能力, 因為 LDEF 的實驗數據表明, 面向原子氧撞擊一側的太空飛行器表面保持著清潔,背向原子氧撞擊一側的太空飛行器表面受到了汙染。據推測這是因為原子氧撞擊侵蝕油脂類的或者是有機的汙染物, 將它們分解為易揮發的化合物。另一方面,人們也從空間暴露結果推測出如果在紫外線的作用下有機聚合物發生了嚴重的交聯, 這樣原子氧就不能迅速地同有機聚合物發生作用, 從而就不能有效地保持太空飛行器表面的清潔[ 10] 。LDEF 的實驗數據表明, 由於汙染, Z—93 型熱控塗層的顏色和光學性能要發生改變 。原子氧對Z—93 型熱控塗層並沒有十分明顯的退化作用, 這一點已經在 LDEF 和NASA 劉易斯實驗室進行的太陽能動力的輻射器項目中得到了證實[ 11, 12] 。以往在研究中發現, 在真空環境中由於ZnO 表面吸附氧的脫附, 導致了Z—93 型熱控塗層的光學性能發生了退化[ 13] 。然而在低地球軌道中,由於有原子氧存在, 退化的 Z—93 型熱控塗層的表面會被重新地白化,使塗層的太陽吸收比降低, 使塗層的光學性能得到改善。
據報導, 在經過 5000 ESH 的紫外線輻照後, Z—93 型熱控塗層的太陽吸收比從0.15 增加到了 0.18, 發射率始終為 0.92 保持不變[ 14]。從 LDEF和在NASA-JSC 高速撞擊研究實驗室進行的太陽能動力的輻射器項目的實驗結果來看, Z—93 型熱控塗層在抗高速撞擊方面表現出了極為出色的性能。高速撞擊形成的孔眼的周圍區域仍然保持完好,即撞擊形成的危害被限制在2 個撞擊孔眼半徑的範圍,大約為5 mm[ 11, 12]。
2 .3 YB —71 型熱控塗層
YB—71 型熱控塗層也是美國 IITRI 研究院在NASA 馬歇爾空間中心的資助下開發出來的白漆塗層 。YB—71 型塗層不是以ZnO 作為顏料, 而是以正鈦酸鋅作為顏料 。YB—71型塗層使用的粘結劑與Z—93 型塗層使用的粘結劑相同,都是 K2SiO3, 但這兩種塗層中顏料所佔的質量分數值不同 , 分別為 87.6 %和81%, 所以 YB—71 型塗層的脆性要大於 Z—93 型塗層 。YB—71 型塗層和Z—93 型塗層的額定αs 分別為0 .11 和0 .15, ε分別為0.88 和0 .92, 這樣 YB—71 型塗層具有更低的吸收 —發射比, 二者的吸收—發射比分別為 0.125 和 0.163 。YB—71 型塗層和Z —93 型塗層都具有大約為 45 %的孔隙率,汙染同樣是這兩種塗層的主要問題。YB—71型塗層的優點在於具有比較低的吸收—發射比, 在空間環境中的穩定性十分好 。它的缺點在於塗層的脆性大, 價格昂貴, 並且容易遭受汙染 。它的價格為1644美元/ dm3 。YB—71型塗層的塗覆厚度要大於Z —93型塗層, 二者的塗覆厚度分別為0.203mm 和 0.127 mm, 所以1 dm3 的 YB —71 型塗料的塗覆面積為60dm2, 即YB—71 型塗層的價格為27.2美元 / dm2, 這大約是 Z—93 型塗層的 12 倍。YB—71 型塗層的塗覆過程與Z—93型塗層的塗覆過程相同, 但由於YB—71 型塗層的厚度較厚, 所以在對 YB—71 型塗層進行塗覆時需要的工時更多。對YB—71 型塗層進行塗覆和固化每小時大約可進行 7 .8 dm2。YB—71 型塗層的價格昂貴, 這是一個主要的問題[ 15] 。
YB—71 型塗層抗原子氧侵蝕的能力很強。從 LDEF 的實驗數據來看, 原子氧侵蝕對 YB—71 型塗層幾乎沒有什麼影響[ 16] 。由於 YB —71 型塗層的無機組成, 紫外線輻照對 YB—71 型塗層並不是太大的問題 。據文獻報導, 在地面實驗中經過5 000 ESH的紫外線輻照後, YB—71 型塗層的αs要從 0.11 增加到0.13, 而塗層的 ε不發生變化, 仍然為 0.88[15] 。
2 .4 S13G/ LO —1 型熱控塗層
S13G/ LO—1 型塗層是美國IITRI 研究院製造的 S—13 系列的第四代白漆塗層, 它是以 K2SiO3 包覆的 ZnO 作為顏料, 以聚甲基矽氧烷作為粘結劑。S13G/ LO—1 型塗層的價格為761美元/ dm3, 1 dm3 的S13G/LO—1 塗料的塗覆面積為 60 dm2, 塗覆的厚度為0 .203 mm 。這就相當於塗覆 1 dm2 的S13G/ LO—1 型塗層的費用為12 .58美元 。這種塗層的塗覆工作要比 Z—93 型塗層和YB—71 型塗層容易得多, 對 S13G/LO—1 型塗層進行塗覆和固化每小時大約可進行11 .6 dm2[ 12] 。
在NASA 劉易斯實驗室進行的等離子體灰實驗表明, S13G/LO—1 型塗層的 αs變化很小, 光學顯微照片表明該塗層出現了極微小的龜裂。該塗層是採用甲基矽氧烷作為粘結劑,估計這種有機粘結劑會與原子氧發生反應。該塗層在經過 5 000 ESH 的紫外線輻照之後, 太陽吸收比增加了 0 .10 。由於在甲基矽氧烷粘結劑中低沸點化合物的存在, 預計S13G/LO—1型塗層在真空環境下會發生析氣現象。該塗層在經過 25 次熱循環後塗層的表面輕微變粗,但是並沒有出現剝落和龜裂現象[ 11] 。其汙染問題 類似於Z—93 型塗層和 YB—71型塗層。由於這些白漆塗層的孔隙率大, 容易遭受汙染, 從而使塗層的太陽吸收比升高。S13G/ LO—1 型塗層要比 Z—93型塗層和 YB—71 型塗層容易清洗 。
2 .5 硫酸陽極化處理的鋁陽極氧化塗層
儘管鋁陽極氧化塗層的空間使用經驗十分有限, 但對於長時間運行的空間站來說, 它已經成為十分重要的侯選塗層。鋁陽極氧化塗層的優點在於 : (1) 質量輕, 因為這種塗層的厚度只需要25 .4μm;( 2) 鋁陽極氧化塗層同太空飛行器鋁基體間的結合力十分好。鋁陽極氧化塗層的原始光學性能值為αs =0.19, ε=0 .92。由於氧化鋁自身的光學性能就在所要求的範圍之內, 因此對於鋁陽極氧化塗層來說, 塗層的光學性能只取決於氧化鋁層。純正的氧化鋁對可見光區域的太陽電磁輻射是透過性的,對於紅外區域的太陽電磁輻射是非透過性的 。鋁陽極氧化塗層的價格十分便宜, 大約是 0.32/dm2, 每小時大約可以對18 .6 dm2 的熱控制項進行陽極化處理[ 17]。
鋁陽極氧化塗層尚未解決的問題在於塗層製備工藝的自動化, 塗層性能的可重複性以及這類塗層在真空、紫外線條件下的退化問題 。在大面積的熱控制項上製備鋁陽極氧化塗層時,實現塗層光學性能的可重複性是一個十分重要的問題。在進行陽極化時, 要保持鍍液的溫度、陽極化時間以及酸的濃度在一個很小的範圍內變化。鋁陽極氧化塗層的製備過程是一個多環節的工藝流程, 這其中包括漂洗和塗層的表面預處理, 漂洗和塗層的表面預處理會嚴重影響到塗層光學性能的可重複性。
鋁陽極氧化塗層的質地密集, 能夠十分容易地保持塗層的清潔。由於鋁陽極氧化塗層的無機組成, 預計這種塗層在原子氧環境中應該是十分穩定的 。在NASA 劉易斯實驗室進行的太陽能動力的輻射器項目中,鋁陽極氧化塗層被暴露於原子氧環境中, 結果發現塗層的太陽吸收比和發射率幾乎不發生什麼變化, 同樣塗層的表觀形貌也沒有發生顯著的變化[ 12] 。對鋁陽極氧化塗層進行熱循環實驗, 熱循環的溫度範圍是 -73℃～+149 ℃, 並且每次熱循環要在+149℃的溫度條件下進行均熱處理15 min,在經過 10 次～15 次這樣的熱循環後, 厚度為 25.4μm 的鋁陽極氧化塗層表面出現了龜裂現象, 但是氧化鋁層並沒有出現片狀剝落現象[ 17] 。相對於白漆來說, 鋁陽極氧化塗層十分薄。氧化鋁是一種陶瓷,但是由於鋁陽極氧化塗層的厚度太薄,在空間中容易發生絕緣體擊穿現象 。
2 .6 光學太陽反射器( OSR)
OSR 是一種優質的被動熱控材料, 它由對可見光透明且具有高發射率的石英第一表面和對可見光具有高反射率的銀第二表面組成。OSR 具有低太陽吸收比和高發射率, 並且在空間環境中具有良好的穩定性。據文獻[ 18]報導, 這種塗層原始的光學性能為 αs =0 .05, ε=0 .83 。OSR 的材料費用大約是247美元/ dm2 。OSR 的製備首先是將 7940 號的康寧石英玻璃加工成0 .2 mm 厚的薄片, 然後在石英玻璃薄片的背面真空蒸發—沉積上一層0.1 μm 厚的銀層, 最後要在銀層的表面真空蒸發 —沉積上一層 0 .05 μm厚的鉻鎳鐵合金, 以保護銀層。OSR 表面堅硬, 可以防止劃痕的出現,然而這種塗層在使用時必須使用膠粘劑將它粘貼在輻射器的表面, 每小時塗層的粘貼面積為 5.2 dm2 。由於石英玻璃的密度很大,所以使用這種塗層就出現了質量大的弊端, 這種塗層的汙染問題要比其他的任何一種塗層小得多, 因為光滑的塗層表面可以十分容易地確保塗層的清潔。在太空飛行器的發射過程中, 震動載荷並不是問題,因為在石英玻璃薄片之間具有小小的縫隙, 這些小小的縫隙可以使塗層免受震動載荷的影響。塗層外層的石英玻璃在原子氧環境中具有良好的穩定性, 所以可以使石英玻璃背面的銀層完全地免受原子氧的侵蝕。預計這種塗層在低地球軌道中是穩定的, 然而在微流星和空間碎片的高速撞擊作用下, 塗層外層的石英玻璃會受到破壞, 暴露出來的銀層就會受到原子氧的侵蝕。在原子氧的作用下,銀會被氧化成黑色, 使塗層局部的光學性能受到破壞。這種塗層抗紫外線輻照的能力十分好, 在紫外線輻照的作用下, 塗層的光學性能不發生變化。這種塗層在地面存儲過程中、在發射過程中以及在軌運行過程中,汙染都不是嚴重的問題。這種塗層在空間使用時, 預計要發生一定程度的光學性能退化,這種光學性能的退化主要是由太陽吸收比的升高引起的[ 19]。
3 塗層的性能總結和評價
表1 為空間環境因素對這六種熱控塗層的影響。
表2 為熱控塗層的性能 。表 3 為熱控塗層的評比分析, 其中塗層的每項技術指標的最高分為 7 分,最低分為 1 分。從評價結果可以看出, Z—93 型熱控塗層最適合用於空間站的輻射器中, 鍍銀 F—46薄膜型熱控塗層次之。
4 結語
我國熱控塗層的研製工作始於 60 年代中期, 雖然 30 多年來取得了很大的成就,但熱控塗層在空間環境下的退化仍然影響著我國太空飛行器的正常工作和壽命 。特別是在我國發展空間站的計劃項目中,研製開發空間穩定性好, 長壽命的熱控塗層已經成為我國太空飛行器熱控設計部門和熱控塗層研製生產部門所急需解決的課題。本文對美國用於空間站輻射器中的熱控塗層進行了全面的技術分析,並從塗層的性能、價格、質量以及成熟性對這些熱控塗層進行了評比, 希望這會為我國用於空間站計劃項目中的長壽命熱控塗層的研製和評選提供一些信息。
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( 王旭東 何世禹 楊德莊 魏鵬飛， 哈爾濱工業大學空間材料與環境工程實驗室 哈爾濱 150001 )
來源：知網
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