{首页主词},&

輕質(zhì)合金表面熱控涂層技術(shù)發(fā)展

2015-11-01 00:00:00 作者：班英飛來源：《腐蝕防護(hù)之友》分享至：

　　本文從航天器用熱控涂層的控溫機(jī)理出發(fā)，講述了熱控涂層如何確保航天器載荷設(shè)備在空間的正常運(yùn)行；并通過鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金典型熱控表面處理技術(shù)的發(fā)展，介紹了航天用輕質(zhì)合金目前常用熱控涂層的特點(diǎn)及應(yīng)用方向，并對(duì)未來航天需求熱控涂層進(jìn)行了展望。

　　文| 白晶瑩北京衛(wèi)星制造廠熱表工程中心

　　太空是一個(gè)高真空的特殊環(huán)境，航天器在空間環(huán)境運(yùn)行時(shí)，太陽照射及非照射時(shí)，其溫差變化范圍超過數(shù)百度。為保障航天器在苛刻的高真空、高低溫交變環(huán)境中的正常運(yùn)行，航天器上所有的載荷、設(shè)備必須保持在一個(gè)相對(duì)恒定的溫度區(qū)間內(nèi)，而惡劣的空間環(huán)境給航天器的正常工作帶來了極大的挑戰(zhàn)，必須采取有效的設(shè)計(jì)、工藝方法控制航天器的內(nèi)外熱交換過程和各點(diǎn)溫度變化的速率，通過有效的熱控設(shè)計(jì)維持航天器載荷、設(shè)備在各種工作狀態(tài)下的溫度變動(dòng)不超出設(shè)備允許的范圍，確保航天器的正常運(yùn)行。熱控涂層是航天器上專門用來調(diào)整固體表面熱輻射性質(zhì)從而實(shí)現(xiàn)熱控目的的一類特殊功能涂層。熱控涂層覆蓋于航天器艙板、儀器板以及儀器的表面，使其熱平衡溫度處于設(shè)備要求的范圍內(nèi)，作為一種最常用的被動(dòng)控溫方式，熱控涂層是航天器研制的重要組成部分，直接影響到其他系統(tǒng)正常運(yùn)行和航天器壽命。

　　對(duì)于一個(gè)在地球軌道上的等溫物體而言，如圖1 所示，服役條件下航天器太陽輻射Qa 和內(nèi)熱Qi 為確定值，如果只考慮太陽光輻射和內(nèi)熱源，沒有地球反照和地球紅外輻射的影響，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，它所吸收太陽光的熱量應(yīng)等于它輻射的熱量。當(dāng)?shù)葴匚矬w表面覆蓋熱控涂層時(shí)，其吸收太陽光的熱量及輻射的熱量就會(huì)受到熱控涂層熱輻射性能的影響。熱輻射性能包含熱吸收性能及熱輻射性能，其性能的高低表征了熱控吸收、輻射性能的大小，當(dāng)涂層的熱吸收性能越低時(shí)，吸收的太陽光熱量就越少，當(dāng)涂層的熱輻射性能越高時(shí)，其輻射的熱量就越多，此時(shí)就可以通過控制熱控涂層的吸收及輻射特性來實(shí)現(xiàn)該物體熱量的控制。因此，航天器的熱平衡可通過其熱吸收性質(zhì)和熱輻射性質(zhì)決定。

　　
圖1 空間物體熱平衡示意圖

　　每一種材料都具有特定的熱吸收性質(zhì)（通常以太陽吸收比（αs）表示）和熱輻射性質(zhì)（通常以半球發(fā)射率（εH）表示），從理論上說都可以應(yīng)用于一定的熱環(huán)境中實(shí)現(xiàn)某種熱控功能。對(duì)于特定的航天器來說，在太空環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，載荷設(shè)備運(yùn)行時(shí)的熱量變化及太陽照射等都會(huì)影響航天器的熱平衡，由于結(jié)構(gòu)表面的溫度與表面太陽吸收比、發(fā)射率密切有關(guān)，因而可以通過熱量計(jì)算，在航天器表面制備具有特定太陽吸收比- 半球發(fā)射率的熱控涂層，來實(shí)現(xiàn)其表面的熱平衡，并確保其溫度在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。

　　為滿足輕量化的要求，航天結(jié)構(gòu)金屬材料多采用鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料。由于材料應(yīng)用于航天器不同的產(chǎn)品、部位，其熱平衡差異較大，導(dǎo)致材料本身的熱輻射特性無法滿足設(shè)備的熱控和環(huán)境服役需求，必須通過不同的熱控涂層確保航天器部件及材料在空間的長效穩(wěn)定運(yùn)行。隨著世界各國航天技術(shù)的不斷發(fā)展，輕質(zhì)合金表面熱控涂層技術(shù)得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用，形成了各類具有特定太陽吸收比和半球發(fā)射率的熱控涂層，實(shí)現(xiàn)了航天器載荷、設(shè)備的熱控平衡，推動(dòng)了航天技術(shù)的發(fā)展。

圖2 鋁合金表面熱控鍍金產(chǎn)品

　 鋁合金熱控表面處理技術(shù)

　　鋁合金作為航天器研制過程中應(yīng)用最多的一種輕質(zhì)合金材料，在航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、天線、供配電、有效載荷等分系統(tǒng)中大量使用。鋁合金熱控技術(shù)是最早發(fā)展起來的一類熱控技術(shù)，通過幾十年的發(fā)展，目前鋁合金材料已經(jīng)形成了熱控鍍、熱控陽極氧化、熱控噴涂等熱控涂層制備技術(shù)體系，并應(yīng)用在CE 系列、HY 系列、SZ 系列及空間站等各種航天器。

　　案例1：鋁及鋁合金熱控電鍍技術(shù)

　　鋁合金材料電鍍技術(shù)主要包括鍍金、鍍銀、鍍鎳等技術(shù)，鍍層的外觀、結(jié)合力及熱控性能需滿足特定的星用需求，并具有良好的耐空間環(huán)境性能，目前產(chǎn)品應(yīng)用比較成熟，研究主要集中在工藝優(yōu)化和可靠性的進(jìn)一步提高上。鋁合金材料鍍層的熱控功能主要應(yīng)用在數(shù)傳天線波導(dǎo)、電子產(chǎn)品機(jī)箱及微波殼體、T/R 模塊殼體等產(chǎn)品中，典型產(chǎn)品如圖2 所示。目前，鋁合金熱控電鍍產(chǎn)品耐空間環(huán)境性能好，鍍層不僅具有特定熱控性能，而且焊接性能優(yōu)異，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品局部鍍覆，控制精度可實(shí)現(xiàn)±1mm，且厚度靈活可控。

　　案例2：鋁合金熱控陽極氧化技術(shù)

　　鋁合金陽極氧化技術(shù)是最早發(fā)展起來的熱控技術(shù)之一，目前已經(jīng)形成發(fā)黑陽極氧化熱控膜層（0.6 ≤ αs ≤ 0.75， εH ≥ 0.85）、光亮陽極氧化熱控膜層（αs=0.25±0.03，εH =0.30±0.03）和消雜光超黑熱控膜層（αs ≥ 0.95）等，經(jīng)過多年的型號(hào)應(yīng)用及飛行驗(yàn)證，其膜層外觀、結(jié)合力及特殊性能夠有效滿足星上產(chǎn)品使用需求。目前鋁合金陽極氧化熱控涂層的高穩(wěn)定耐空間交變性能及超黑熱控膜層的高系數(shù)是發(fā)展的主要方向。

　　
圖3 鋁合金表面陽極氧化產(chǎn)品：a黑色熱控膜；b光亮熱控膜；c消雜光熱控膜

　 鎂合金熱控表面處理技術(shù)

　　鎂合金作為新型的輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料具有密度低、減震性能及電磁屏蔽性優(yōu)異的特點(diǎn)，是航天器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的理想材料。目前鎂合金材料已經(jīng)開始應(yīng)用于空間飛行器中電子產(chǎn)品機(jī)箱、相機(jī)、天線、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)以及武器裝備領(lǐng)域單兵作戰(zhàn)領(lǐng)域，但鎂合金材料化學(xué)性質(zhì)活潑易腐蝕，應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品必須進(jìn)行表面處理，滿足應(yīng)用時(shí)的熱控及防腐等需求。目前北京衛(wèi)星制造廠應(yīng)研發(fā)成功鎂（含鎂鋰）合金化學(xué)鍍鎳、微弧氧化、鍍金、鍍銀等工藝技術(shù)功，性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠性高，能夠滿足鎂（含鎂鋰）合金電子產(chǎn)品機(jī)箱、相機(jī)、天線等結(jié)構(gòu)產(chǎn)品表面防腐、熱控、導(dǎo)電等功能處理，并逐步應(yīng)用到航天領(lǐng)域中。

　　案例1: 鎂合金氧化類熱控膜層技術(shù)

　　表面氧化處理是制備鎂合金防腐、熱控膜層的一類主要工藝技術(shù)。通過對(duì)工藝過程及參數(shù)的研究，北京衛(wèi)星制造廠突破了微弧氧化及高壓陽極氧化等關(guān)鍵技術(shù)，形成了白色微弧氧化熱控膜層及綠色高耐蝕陽極氧化熱控膜層制備技術(shù)，所得膜層厚度均勻，其中綠色氧化熱控膜層半球發(fā)射率（εH） ≥ 0.85，且具有良好的耐蝕性能（耐中性鹽霧96h 無腐蝕）和空間穩(wěn)定性，適用各種等鎂合金基材，已經(jīng)在深空探測(cè)、二代導(dǎo)航以及單兵作戰(zhàn)裝備中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

　圖4 鎂合金氧化類熱控膜層技術(shù)

案例2：鎂合金表面導(dǎo)電、防腐熱控鍍膜層技術(shù)

　　在航天應(yīng)用過程中，鎂合金材料需滿足地面存儲(chǔ)、試驗(yàn)、發(fā)射環(huán)境防腐、導(dǎo)電及空間環(huán)境熱控等功能性需求，國外已經(jīng)將微弧氧化及鍍覆技術(shù)應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)鎂合金的防腐熱控。北京衛(wèi)星制造廠依托型號(hào)需求，研制成功了鎂合金微弧氧化黑色熱控膜層技術(shù)、化學(xué)鍍鎳導(dǎo)電強(qiáng)化技術(shù)及復(fù)合膜鍍層一體化工藝技術(shù)，在鎂合金電子機(jī)箱產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了整體防腐、局部熱控、局部導(dǎo)電強(qiáng)化等功能性需求，產(chǎn)品交變濕熱試驗(yàn)240h 無腐蝕；熱控涂層中性鹽霧試驗(yàn)240h 無腐蝕；半球發(fā)射率（εH） ≥ 0.85；實(shí)現(xiàn)了鎂合金材料在深空探測(cè)型號(hào)的成功應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)穩(wěn)定成熟，經(jīng)中國航天科技集團(tuán)公司鑒定：“鎂合金機(jī)箱表面處理技術(shù)總體水平處于國內(nèi)領(lǐng)先，防腐、熱控、導(dǎo)電一體化技術(shù)以及部分指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平”。目前已經(jīng)在深空探測(cè)、載人航天、二代導(dǎo)航等多個(gè)型號(hào)鎂合金電子產(chǎn)品機(jī)箱中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

　
　
　圖5 鎂合金長效防腐熱控膜層

輕質(zhì)合金熱控涂層技術(shù)

　　熱控涂層具有熱輻射性能可控范圍大，工藝操作簡(jiǎn)單，性能重復(fù)性好，成本低的優(yōu)點(diǎn)，可以用于輕質(zhì)合金的表面熱控。熱控涂層包括黑漆、灰漆、白漆等品種，目前應(yīng)用廣泛的為黑漆和白漆。

　　圖6 黑色熱控涂層

案例1: 黑色熱控涂層技術(shù)

　　黑色熱控涂層是為了強(qiáng)化航天器內(nèi)部散熱研發(fā)出來的熱控涂層。航天器有效載荷在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致載荷內(nèi)部溫度逐漸升高。為控制有效載荷工作溫度范圍，需研發(fā)具有高半球發(fā)射率的熱控涂層以滿足散熱需求。目前國內(nèi)已經(jīng)研制應(yīng)用多種黑色熱控涂層，如HA95 黑漆熱控涂層（εH ＝ 0.88±0.03，αS ＝ 0.96±0.03）、E51-M 黑漆熱控涂層（εH ＝ 0.88±0.02，αS ＝ 0.93±0.02）和ERB-2B 黑漆熱控涂層（εH ＝ 0.87±0.02）等。該類熱控涂層外觀呈均勻黑色，具有較高的半球發(fā)射率，可滿足航天器零部件表面的散熱需求。

　　案例2: 白色熱控涂層技術(shù)

　　白色熱控涂層技術(shù)是為了保證航天器內(nèi)部環(huán)境的溫度均勻性，調(diào)節(jié)航天器外部零部件表面熱平衡溫度而研發(fā)的具有低吸收高發(fā)射特性的熱控涂層。為滿足航天器發(fā)展需要，目前已經(jīng)研發(fā)成功各種白漆產(chǎn)品，如SR107 白漆熱控涂層（εH ＝ 0.87±0.02，αS ＝ 0.17±0.03）、SR107- ZK 白漆熱控涂層（εH ＝ 0.87±0.03，αS ＝ 0.16±0.03）和防靜電熱控涂層（εH ＝ 0.87±0.02, αS ＝ 0.16±0.03）等。該類熱控涂層外觀呈白色，表面均勻平整，具有較高的半球發(fā)射率和較低的太陽吸收比，可滿足航天器零部件表面的散熱需求，應(yīng)用于航天器儀器板、天線、設(shè)備機(jī)箱等產(chǎn)品。

　
　圖7 白色熱控涂層

　　隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天產(chǎn)品的熱控制范圍和精度要求不斷提高，熱控涂層技術(shù)也在不斷的發(fā)展，未來新型熱控涂層，如新型鍍金屬聚合膜、新型等離子噴涂涂層、導(dǎo)電熱控涂層、碳納米管超黑熱控涂層以及寬幅可變發(fā)射率涂層等將會(huì)提高航天器整體的熱控性能，另一方面，通過表面新技術(shù)的推動(dòng)，促進(jìn)了熱控技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光技術(shù)通過其高精密的微觀改性，成功制備了鋁合金/ 鈦合金黑色熱控膜層。隨著未來科技的不斷發(fā)展，熱控涂層技術(shù)也將得到進(jìn)一步發(fā)展，推動(dòng)航天事業(yè)不斷前進(jìn)。

　 延伸閱讀

　　航天器熱控涂料

　　航天器進(jìn)入軌道繞地球作周期性運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)受約正負(fù)200℃的溫度波動(dòng)，為控制其內(nèi)部溫度，航天器熱控材料迅速發(fā)展，熱控涂料是應(yīng)用最多、效果顯著的一類。航天器熱控涂料是一種對(duì)于太陽熱具有低吸收、高發(fā)射比率的光散射涂料，由顏料和粘結(jié)劑組成。顏料選擇具有高發(fā)射率、高純度和高光學(xué)穩(wěn)定性的白色顏料；粘結(jié)劑選用耐溫、空間環(huán)境中穩(wěn)定、易清洗的有機(jī)聚合物（如聚硅氧烷）和無機(jī)化合物（如硅酸鹽、磷酸鹽、鈦酸鹽）。例如ZnO/ 聚二甲基硅氧烷、ZnO/K2SiO3 為典型的航天熱控涂料體系。

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。