摘要 柔性热控薄膜材料广泛应用于各种航天器平台,其性能对维持航天器正常工作环境至关重要。本文针对空间热控技术发展要求,综述了国内外柔性热控薄膜材料的技术指标以及应用现状。介绍了国内外各种航天器上普遍应用的一次表面镜、二次表面镜、腐蚀防护膜和热控带等柔性热控材料的工作原理及应用范围,并对国内外典型柔性热控产品性能进行了对比。并介绍了相变热控材料、CCAG热控薄膜等新型智能柔性热控材料的研究情况。
关键词 柔性 热控 薄膜 二次表面镜 航天器
柔性热控薄膜材料广泛应用于各种航天器平台,其性能对维持航天器正常工作环境至关重要。柔性聚合物材料由于其低廉的价格、易于生产、易于安装、重量轻等优势而备受航天器设计人员青睐[1]。随着航天事业的发展,各种新型柔性聚合物材料被研制并大量用于国内外各种航天器上,代表航天器未来发展方向的膨胀展开部件更是绝大部分采用柔性聚合物材料。但是,各种柔性聚合物材料也有其固有的缺点,例如耐辐照性能较差、耐原子氧作用较差、聚合物一般为绝缘材料而引起空间充放电效应等。虽然也开发研制了一批适应特殊要求的高聚物材料,如导电型聚合物,但也要损失原有材料的某些优异性能。
材料表面处理是解决聚合物材料空间环境适应性能差的主要方案,采用对柔性聚合物基底表面真空镀膜的方法能得到具有高稳定可靠性、空间长寿命、优越防护性等多种优异性能的柔性热控材料。因此,柔性热控薄膜在各类航天器上的应用越来越被重视。
1 航天器常用柔性热控薄膜
航天器柔性热控薄膜在空间环境中的所处位置不同,其热控系数以及耐空间环境性能也有所不同。根据各种航天器热控的性能要求,国内外已研制出多种不同性能的热控薄膜材料。根据薄膜的功能和使用范围的不同,柔性热控薄膜主要分为以下几种类型:第一表面镜、二次表面镜、腐蚀防护膜、透明导电膜、黑膜、多层复合膜、热控带等,以及各国重点研发的可调发射率智能热控材料。另外,上述所有的柔性薄膜又都可以做成打孔型热控薄膜材料[2-4]。
国际上目前对柔性热控膜的产品生产以美国Sheldahl公司最全,已经实现了产品的定型化和系列化,并实现现货采购;此外,英国PS公司、美国OCLI公司在聚酰亚胺热控膜方面也较早地开展了应用研究,实现了产品的工程化应用。我国针对柔性热控薄膜技术研究起步较晚,很多技术还处起步阶段。兰州空间技术物理研究所从1987开始进行柔性热控薄膜的研究工作,研制的多种产品已达到国际先进水平,替代进口产品应用于我国的多种航天器平台。
111 二次表面镜
二次表面镜(Second-Surface Mirrors)是一种卫星用长寿命被动温控材料。它具有重量轻、稳定性好、可制作成大面积产品、安装方便、工作可靠等特点,已被广泛应用于各种空间飞行器,如:空间站和通信、中继、导航、气象等各类卫星。主要技术特点是,对太阳光谱具有较高的反射率,可反射掉大部分的太阳辐照能量,从而减少强日照对卫星等航天器造成的温升;同时,具有很高的发射率,可将卫星内部的废热发射出去,可以降低星载仪器所处的环境温度,使其始终处于正常工作的温度范围,对保证整星的正常工作和延长卫星的使用寿命具有非常重要的作用。此外,导电型的二次表面镜外表面还镀有一层透明导电膜,具有静电防护功能和防原子氧功能,可消除空间放电和原子氧作用对卫星和材料本身的威胁。冲孔型的导电型二次表面镜不但简化了防静电膜的接地,而且提供了大量的出气通道,常用于特殊部位包扎和多层隔热表面。
11111 F46基二次表面镜
F46基二次表面镜(Teflon Second-Surface Mir-rors)是一种非常重要的柔性热控材料,作为二次表面镜获得低太阳吸收率As和高发射率E。F46薄膜根据厚度不同,可分为以下几种类型:12,25,50,125和250Lm。薄膜厚度是决定半球发射率E的主要因素,F46基底厚度与半球发射率E的对应数据如表1所示。
F46二次表面镜最常用的反射膜金属为Ag和Al,其太阳吸收率As可低达0106,可以通过选用不同的反射膜金属,如镀铜、铋、锗等,获得不同太阳吸收率As的二次表面镜;由于F46对可见光透明,自身发射率较低,还可在F46外加镀铬膜,获得黑镜效果,得到不同As/E比值的热控材料。表2列举了美国Sheldahl公司采用不同金属膜的F46二次表面镜及其对应的太阳吸收率A[5]。
国内的兰州空间技术物理研究所(LIP)也研制了F46基底的二次表面镜,主要性能参数如表3所示。
11112 Kapton基二次表面镜
Kapton是美国杜邦公司生产的一种高性能聚酰亚胺(PI)材料,与F46相比,Kapton具有更好的结构稳定性。Kapton基二次表面镜(Kapton Second-Sur-face Mirrors)也是一种常用的热控材料,用于获得低太阳吸收率As和高发射率E。通常采用反射膜金属Al和Au作为二次表面反射镜,Ag有时也用于Kapton反射镜。Kapton材料本身的橙黄色对太阳吸收率As影响较大,厚度不同与其自身厚度对半球发射率E的影响相结合,使得太阳吸收率As与半球发射率E的比值As/E约为015。Kapton厚度与As,E的对应数据如表4所示[5-6]。
F46基与Kapton基薄膜二次表面镜共同的优点在于具有低的As/E比,辐射率可通过控制薄膜的厚度来调节,且易于粘贴在曲面以及不规则的航天器表面,可以大面积地制备和使用。目前在很多的航天器上都得到了广泛应用,具有丰富的使用经验。与Kap-ton基薄膜二次表面相比,F46基薄膜二次表面镜的缺点是机械性能差,易受原子氧的侵蚀,特别是在低地球轨道服役时涂层发生严重的质量损失。通常在镀银F46薄膜的外表面粘贴一层厚度为1~5Lm的石英玻璃,可以减少由于原子氧侵蚀引起的质量损失。尽管带有石英玻璃保护层的镀银F46薄膜在热循环后出现了龟裂,但带有石英玻璃保护层的镀银F46薄膜在原子氧的作用下的质量损失明显减少。
英国PS公司研制的单面镀铝Kapton基薄膜(Aluminum/Kapton)用作二次表面镜时,具有适中的吸收率和发射率,主要性能指标如表5[10]。另外Kapton基防静电镀铝二次表面镜薄膜(ITO/Kapton/Al)常用作多层隔热屏的外层。ITO涂层可以消除表面的不等位电荷,对二次表面镜的太阳吸收率和发射率影响很小;ITO面具有中等大小的太阳吸收比和发射率,发射率主要取决于PI的厚度。英国PS公司研制的Kapton基防静电镀铝二次表面镜薄膜主要性能如表6所示。
国内的LIP研制的Kapton基防静电镀铝二次表面镜薄膜也达到世界先进水平,在国内各种航天器上广泛应用,主要性能如表7所示。
112 一次表面镜
Kapton基或Mylar基第一表面镜(Firs-t Surface Mirrors)常用于红外热屏以及低温多层隔热层材料中,具有低太阳吸收率As和半球发射率E。由于Al成本低,具有低的太阳吸收比和低的发射率综合性能,是最常用的镜面材料,此外还可以采用Au或Ag,它们都能提供低的半球发射率。对于大面积的第一表面镜,采用Mylar基能大大地降低成本;但当要求有耐燃性或抗高温性能时,则必须采用Kapton基底。英国PS公司研制的Kapton基镀锗薄膜(Germa-nium/Kapton)常用作一次表面镜,锗膜具有透微波和消除静电的双重功能,适合用于天线保护罩[12]。国内的LIP研制的PI镀锗膜材料集热控、防静电、透微波和防原子氧功能为一身,是一种多功能的防护薄膜。由于这种材料不仅具有优良的热控功能,而且具有良好的防静电性能,高的透微波性能,所以在天线热控和消除卫星天线表面充放电效应的同时并不影响卫星天线的信号,是天线太阳屏和天线防静电首选产品。
本产品的耐空间环境性能尤其是防原子氧性能优异,经原子氧作用后质损非常小(如图2所示),光学性能和表面电阻几乎没有变化,是首选的低轨道卫星天线防静电材料。
113 腐蚀防护膜
腐蚀防护膜(Corrosion Resistant Coating,CRC)主要是为了在航天器的多层隔热材料中用Al代替Au膜以降低生产成本。
在70年代初期,为了满足航天器上多层隔热材料重复使用的要求,选用Au作为镜面膜。每次飞行器飞离大气层后,多层隔热材料中的空气扩散到外层空间,而当飞行器再入大气层时,多层隔热材料中将充入空气。选用Al膜代替Au膜虽然降低了成本,但是多层隔热材料被充入的空气中所含的各种盐和其他污染物,将会对Al膜产生腐蚀作用,无法再次利用,因此腐蚀防护膜应运而生[7]。
Sheldahl公司开发了一种丙烯酸(AOC)防护膜,将其沉积在Al膜上起到防止Al膜被腐蚀的效果。这种AOC膜虽只有012~014 nm厚,却可使Al膜在盐雾中超过24 h而不受腐蚀,并且经过各种所要求的环境实验作用后,Al膜的半球发射率几乎不受影响[8]。AOC膜进行的各种环境试验参数如表10。
114 热控带
热控带(Thermal Control Tapes)是一面带有压敏胶的一类薄膜型热控涂层。通常,这种热控带由三部分组成:¹基体薄膜:聚脂薄膜、聚酰亚胺薄膜或F46薄膜等;º真空沉积层:金、铝、银等;压敏胶:橡胶、有机硅树脂以及AOC树脂等。
热控带由于采用了压敏胶带粘贴,粘合能力强,出气少,最大的优点就是使用起来简单方便;可用于粘贴在结构表面,基本上能达到一般热控涂层的热辐射性能要求,也可用于封闭多层隔热屏的边缘或者修补隔热品该层的裂缝。但是,应用中也存在一些问题,主要是当温度升高时,由于压敏胶本身的放气以及胶层中残留的空隙中的空气会发生膨胀,从而使热控带鼓起;随着温度的升高,气泡会不断增多、长大,最后可能导致热控带与底材完全脱离,或使得带与底面间热阻过大而失去热控作用。解决起泡的办法之一是,在使用时将热控带裁成窄条并在条上打孔,使胶中的气体能及时泄漏出去。
Sheldahl公司已制成多种类型的热控带(条)产品,统称为/3P0系列;此外,还研制出许多新的品种,如低As/E比值和中As/E比值(01087~1120)的二次表面镜型热控带;高As/E比值(215~810)的镀金属薄膜以及金属箔型热控带;高太阳吸收率和高辐射率的黑漆热控带(As=0197,E=0190)以及低太阳吸收率、低辐射率的镀铝尼龙纱)PI型热控带(As=0112~0116,E=0113~0117,As/E=0170~1120)[9]。
2 新型柔性热控薄膜
随着航天器向长寿命、高可靠、轻量化、大尺寸/微型化、大功率、多功能的方向发展,对航天器的热控薄膜提出了柔性轻质、多功能、高精度、热控参数可设计等要求。因此,对于各种新型柔性热控薄膜的研究也更加受到重视。
211 PI银基复合膜
国外90年代开发研究的新型PI基底银基复合膜材料(简称CCAG)除具备耐原子氧特性外,更重要的是热控参数可根据设计要求进行调整,可满足未来中低轨卫星的这种特殊热控需求。同时CCAG材料热控性能优于目前星上常用的F46第二表面镜材料,也可作为未来F46的一种升级材料。LIP针对卫星未来应用,开展了柔性PI基底CCAG的初步研究,进行了技术可行性分析和膜系初步设计。
CCAG热控薄膜的膜系最基本结构为:基底+高反射率层+介质层(高发射率层+保护层),如图3所示。美国OCLI公司(Optical Coating Laboratory.Inc)[12]在柔性热控薄膜方面也开展了大量的研究工作。该公司还开发生产了柔性基底CCAG型热控薄膜,具有小的太阳吸收率(As=0106)(图4),根据外层SiO2厚度的不同其红外发射率可在0103~0125范围内调节,CCAG材料目前在美国已应用于卫星表面,2000年3月美国发射的/图像0卫星,在其瞄准仪前端最外层使用的CCAG型热控薄膜(ITO/SiOx/Al2O3/Ag),大阳吸收率As为0108,半球发射率Ah为0.66[12-13]。
212 相变热控薄膜
航天器微型化技术的发展,给热控技术提出了新的挑战。为了克服微型化引起的高密度热流,航天器小热容等问题,必须发展一系列的适应小卫星的热控技术。小卫星热控必须从能源、结构、重量及可靠性4个方面加以考虑。在能够保证热控精度的条件下应优先采用被动热控,而利用星体表面涂层来控制卫星温度的方法又是最基本、有效和可靠的方法。美国在微/纳卫星热控方面做了总体的考虑,为了适应微小、微型组成的星座要求提出了一些技术发展方向,如可变发射率涂层技术,微热管技术,可变发射率辐射器技术,微型沟道热交换器技术和微型热开关技术、微机械百叶窗,静电吸附,电致变色和热致变色等技术。可变发射率热控技术可分为主动热控和被动热控技术,电致变色和微机械百叶窗技术属于主动可变发射率热控技术,而基于锰酸镧掺杂的可变发射率热致相变材料则属于被动可变发射率热控技术。这种可变发射率的热控涂层可以根据航天器或设备的温度高低改变自身的发射率,从而可以自动调节温度。当航天器设备温度变高时其表面的发射率变大,使辐射出去的能量增加;而当航天器设备温度降低时,发射率变小,辐射出去的能量变少,从而维持温度不再降低。可变发射率的热控涂层原理类似于百叶窗,但比百叶窗重量轻,无活动部件,可靠性高,它也不象电加热器那样消耗电能。可变发射率的热控涂层既可以用于航天器舱内设备表面,也可以用于热辐射器的表面。国际上主要开展La1-xSrxMnO3和La1-xCaxMnO3的可变发射率热控研究[15]。目前对该种材料进行研究的国家和组织主要包括日本、加拿大和ESR。其中日本的研究最为成熟。日本NEC公司于1999年就研制出La1-xSrxMnO3相变型热控材料,2000年取得实质性进展;日本NTS公司也已经研制了两种温度可变发射率智能型相变La1-xSrxMnO3和La1-xCaxMnO3热控材料用于科学卫星MUSES-C上,另外在2003年底发射的代号为INDEX的卫星也应用了此项技术。
日本NEC公司研究出的基于这2种材料的陶瓷贴片式智能型辐射器件(smart radiation device,SRD),其具体组分分别为La01825Sr01175MnO3,文献上报道的样品厚度为200Lm,是通过传统的标准陶瓷加工工艺形成,其发射率从-100~+100℃的变化为0137。
另有文献上报道已经将陶瓷薄片元件的厚度减小到70Lm。从发射率的变化可以看出,发射率在低温和高温下的变化已经很接近机械式热控百叶窗在全开和全关下的发射率的变化量,但它的质量(200Lm陶瓷贴片)只有1300 g/m2,与机械式百叶窗相比有很大的优势(5000 g/m2)。此外国外也在开展通过其他技术制作这种SRD,主要有溶胶-凝胶和丝网印刷技术,这两种方法的目标都是制备这种材料的薄膜器件。但目前发射率的变化还不很理想,要求的薄膜厚度一般在1500 nm以上[16]。
La1-xSrxMnO3和La1-xCaxMnO3应用于热控系统中还存在太阳吸收率偏大的问题。由于太阳吸收率偏大,当这种涂层暴露于太阳辐照之下,将会发生温度的急剧上升而导致意想不到的问题发生,因此必须减小太阳吸收率。通过对样品表面的精加工后可以减小吸收率,另一方面,也可以通过多层膜系的设计来提高应用的可行性。已有文献报道了采用遗传算法的多层膜设计将基于La01825Sr01175MnO3的SRD的太阳吸收率降到0128,同时又不会降低涂层的半球发射率。这种多层膜能增强对太阳辐照的反射,同时又能够透过远红外辐射。文献中报道的多层膜多达10层,分别由MgF2、A-Si、Ge组成[17]。
3 结束语
随着开发利用空间资源和空间军事的需求日益增长,各类人造地球卫星、空间实验室、空间望远镜、深空探测器等航天器的数量逐渐增加,面对的空间环境要求越来越复杂,增加柔性热控薄膜的重要性也逐渐提高,尤其是对各种新型柔性热控薄膜的需求刻不容缓。因此,研制价格适当性能优异的柔性薄膜材料是一项重要的课题。
参 考 文 献 略
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