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轻质合金表面热控涂层技术发展

作者
中国腐蚀与防护网
来源
中国腐蚀与防护网
发布时间
2015-11-26
关键词
轻质合金
领域
腐蚀领域
摘要
轻质合金表面热控涂层技术发展
正文
　本文从航天器用热控涂层的控温机理出发，讲述了热控涂层如何确保航天器载荷设备在空间的正常运行；并通过铝合金、镁合金等轻质合金典型热控表面处理技术的发展，介绍了航天用轻质合金目前常用热控涂层的特点及应用方向，并对未来航天需求热控涂层进行了展望。 　文| 白晶莹 北京卫星制造厂热表工程中心 　太空是一个高真空的特殊环境，航天器在空间环境运行时，太阳照射及非照射时，其温差变化范围超过数百度。为保障航天器在苛刻的高真空、高低温交变环境中的正常运行，航天器上所有的载荷、设备必须保持在一个相对恒定的温度区间内，而恶劣的空间环境给航天器的正常工作带来了极大的挑战，必须采取有效的设计、工艺方法控制航天器的内外热交换过程和各点温度变化的速率，通过有效的热控设计维持航天器载荷、设备在各种工作状态下的温度变动不超出设备允许的范围，确保航天器的正常运行。热控涂层是航天器上专门用来调整固体表面热辐射性质从而实现热控目的的一类特殊功能涂层。热控涂层覆盖于航天器舱板、仪器板以及仪器的表面，使其热平衡温度处于设备要求的范围内，作为一种最常用的被动控温方式，热控涂层是航天器研制的重要组成部分，直接影响到其他系统正常运行和航天器寿命。 　对于一个在地球轨道上的等温物体而言，如图1 所示，服役条件下航天器太阳辐射Qa 和内热Qi 为确定值，如果只考虑太阳光辐射和内热源，没有地球反照和地球红外辐射的影响，达到稳定状态时，它所吸收太阳光的热量应等于它辐射的热量。当等温物体表面覆盖热控涂层时，其吸收太阳光的热量及辐射的热量就会受到热控涂层热辐射性能的影响。热辐射性能包含热吸收性能及热辐射性能，其性能的高低表征了热控吸收、辐射性能的大小，当涂层的热吸收性能越低时，吸收的太阳光热量就越少，当涂层的热辐射性能越高时， 其辐射的热量就越多，此时就可以通过控制热控涂层的吸收及辐射特性来实现该物体热量的控制。因此，航天器的热平衡可通过其热吸收性质和热辐射性质决定。 　　 图1 空间物体热平衡示意图 　每一种材料都具有特定的热吸收性质（通常以太阳吸收比（αs） 表示）和热辐射性质（通常以半球发射率（εH） 表示）， 从理论上说都可以应用于一定的热环境中实现某种热控功能。对于特定的航天器来说，在太空环境中运行时，载荷设备运行时的热量变化及太阳照射等都会影响航天器的热平衡，由于结构表面的温度与表面太阳吸收比、发射率密切有关，因而可以通过热量计算，在航天器表面制备具有特定太阳吸收比- 半球发射率的热控涂层， 来实现其表面的热平衡，并确保其温度在一个合适的范围内。 　为满足轻量化的要求，航天结构金属材料多采用铝合金、镁合金等轻质合金材料。由于材料应用于航天器不同的产品、部位，其热平衡差异较大，导致材料本身的热辐射特性无法满足设备的热控和环境服役需求，必须通过不同的热控涂层确保航天器部件及材料在空间的长效稳定运行。随着世界各国航天技术的不断发展，轻质合金表面热控涂层技术得到了很大的发展和应用，形成了各类具有特定太阳吸收比和半球发射率的热控涂层，实现了航天器载荷、设备的热控平衡，推动了航天技术的发展。 图2 铝合金表面热控镀金产品 铝合金热控表面处理技术 　铝合金作为航天器研制过程中应用最多的一种轻质合金材料，在航天器结构机构、天线、供配电、有效载荷等分系统中大量使用。铝合金热控技术是最早发展起来的一类热控技术，通过几十年的发展， 目前铝合金材料已经形成了热控镀、热控阳极氧化、热控喷涂等热控涂层制备技术体系，并应用在CE 系列、HY 系列、SZ 系列及空间站等各种航天器。 　案例1：铝及铝合金热控电镀技术 　铝合金材料电镀技术主要包括镀金、镀银、镀镍等技术，镀层的外观、结合力及热控性能需满足特定的星用需求，并具有良好的耐空间环境性能，目前产品应用比较成熟，研究主要集中在工艺优化和可靠性的进一步提高上。铝合金材料镀层的热控功能主要应用在数传天线波导、电子产品机箱及微波壳体、T/R 模块壳体等产品中，典型产品如图2 所示。目前，铝合金热控电镀产品耐空间环境性能好，镀层不仅具有特定热控性能，而且焊接性能优异，同时可实现产品局部镀覆，控制精度可实现±1mm，且厚度灵活可控。 　案例2：铝合金热控阳极氧化技术 　铝合金阳极氧化技术是最早发展起来的热控技术之一，目前已经形成发黑阳极氧化热控膜层（0.6 ≤ αs ≤ 0.75， εH ≥ 0.85）、光亮阳极氧化热控膜层（αs=0.25±0.03，εH =0.30±0.03） 和消杂光超黑热控膜层（αs ≥ 0.95） 等，经过多年的型号应用及飞行验证，其膜层外观、结合力及特殊性能够有效满足星上产品使用需求。目前铝合金阳极氧化热控涂层的高稳定耐空间交变性能及超黑热控膜层的高系数是发展的主要方向。 　　 图3 铝合金表面阳极氧化产品：a黑色热控膜；b光亮热控膜；c消杂光热控膜 镁合金热控表面处理技术 　镁合金作为新型的轻质金属结构材料具有密度低、减震性能及电磁屏蔽性优异的特点，是航天器实现结构轻量化的理想材料。目前镁合金材料已经开始应用于空间飞行器中电子产品机箱、相机、天线、结构与机构以及武器装备领域单兵作战领域，但镁合金材料化学性质活泼易腐蚀， 应用于型号产品必须进行表面处理，满足应用时的热控及防腐等需求。目前北京卫星制造厂应研发成功镁（含镁锂）合金化学镀镍、微弧氧化、镀金、镀银等工艺技术功，性能稳定，质量可靠性高，能够满足镁（含镁锂）合金电子产品机箱、相机、天线等结构产品表面防腐、热控、导电等功能处理，并逐步应用到航天领域中。 　案例1: 镁合金氧化类热控膜层技术 　表面氧化处理是制备镁合金防腐、热控膜层的一类主要工艺技术。通过对工艺过程及参数的研究，北京卫星制造厂突破了微弧氧化及高压阳极氧化等关键技术， 形成了白色微弧氧化热控膜层及绿色高耐蚀阳极氧化热控膜层制备技术，所得膜层厚度均匀，其中绿色氧化热控膜层半球发射率（εH） ≥ 0.85，且具有良好的耐蚀性能（耐中性盐雾96h 无腐蚀）和空间稳定性， 适用各种等镁合金基材，已经在深空探测、二代导航以及单兵作战装备中实现应用。 　图4 镁合金氧化类热控膜层技术 案例2：镁合金表面导电、防腐热控镀膜层技术 　在航天应用过程中，镁合金材料需满足地面存储、试验、发射环境防腐、导电及空间环境热控等功能性需求，国外已经将微弧氧化及镀覆技术应用于航天结构镁合金的防腐热控。北京卫星制造厂依托型号需求，研制成功了镁合金微弧氧化黑色热控膜层技术、化学镀镍导电强化技术及复合膜镀层一体化工艺技术，在镁合金电子机箱产品实现了整体防腐、局部热控、局部导电强化等功能性需求，产品交变湿热试验240h 无腐蚀；热控涂层中性盐雾试验240h 无腐蚀；半球发射率（εH） ≥ 0.85； 实现了镁合金材料在深空探测型号的成功应用。该项技术稳定成熟，经中国航天科技集团公司鉴定：“镁合金机箱表面处理技术总体水平处于国内领先，防腐、热控、导电一体化技术以及部分指标达到了国际先进水平”。目前已经在深空探测、载人航天、二代导航等多个型号镁合金电子产品机箱中实现应用。 　 　 　图5 镁合金长效防腐热控膜层 轻质合金热控涂层技术 　热控涂层具有热辐射性能可控范围大， 工艺操作简单，性能重复性好，成本低的优点，可以用于轻质合金的表面热控。热控涂层包括黑漆、灰漆、白漆等品种，目前应用广泛的为黑漆和白漆。 　　图6 黑色热控涂层 案例1: 黑色热控涂层技术 　黑色热控涂层是为了强化航天器内部散热研发出来的热控涂层。航天器有效载荷在工作过程中会产生大量热量，导致载荷内部温度逐渐升高。为控制有效载荷工作温度范围，需研发具有高半球发射率的热控涂层以满足散热需求。目前国内已经研制应用多种黑色热控涂层，如HA95 黑漆热控涂层（εH ＝ 0.88±0.03，αS ＝ 0.96±0.03）、E51-M 黑漆热控涂层（εH ＝ 0.88±0.02，αS ＝ 0.93±0.02） 和ERB-2B 黑漆热控涂层（εH ＝ 0.87±0.02） 等。该类热控涂层外观呈均匀黑色，具有较高的半球发射率，可满足航天器零部件表面的散热需求。 　案例2: 白色热控涂层技术 　白色热控涂层技术是为了保证航天器内部环境的温度均匀性，调节航天器外部零部件表面热平衡温度而研发的具有低吸收高发射特性的热控涂层。为满足航天器发展需要，目前已经研发成功各种白漆产品，如SR107 白漆热控涂层（εH ＝ 0.87±0.02，αS ＝ 0.17±0.03）、SR107- ZK 白漆热控涂层（εH ＝ 0.87±0.03，αS ＝ 0.16±0.03） 和防静电热控涂层（εH ＝ 0.87±0.02, αS ＝ 0.16±0.03） 等。该类热控涂层外观呈白色，表面均匀平整， 具有较高的半球发射率和较低的太阳吸收比，可满足航天器零部件表面的散热需求， 应用于航天器仪器板、天线、设备机箱等产品。 　 　图7 白色热控涂层 　随着航天技术的不断发展，航天产品的热控制范围和精度要求不断提高，热控涂层技术也在不断的发展，未来新型热控涂层，如新型镀金属聚合膜、新型等离子喷涂涂层、导电热控涂层、碳纳米管超黑热控涂层以及宽幅可变发射率涂层等将会提高航天器整体的热控性能，另一方面， 通过表面新技术的推动，促进了热控技术的发展，飞秒激光技术通过其高精密的微观改性，成功制备了铝合金/ 钛合金黑色热控膜层。随着未来科技的不断发展，热控涂层技术也将得到进一步发展，推动航天事业不断前进。 延伸阅读 　航天器热控涂料 　航天器进入轨道绕地球作周期性运转时，经受约正负200℃的温度波动，为控制其内部温度，航天器热控材料迅速发展， 热控涂料是应用最多、效果显著的一类。航天器热控涂料是一种对于太阳热具有低吸收、高发射比率的光散射涂料，由颜料和粘结剂组成。颜料选择具有高发射率、高纯度和高光学稳定性的白色颜料；粘结剂选用耐温、空间环境中稳定、易清洗的有机聚合物（如聚硅氧烷）和无机化合物（如硅酸盐、磷酸盐、钛酸盐）。例如ZnO/ 聚二甲基硅氧烷、ZnO/K2SiO3 为典型的航天热控涂料体系。 责任编辑：班英飞 《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事 投稿联系：编辑部 电话：010-62313558-801 邮箱：ecorr_org@163.com 中国腐蚀与防护网官方 QQ群：140808414

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