【摘 要】
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热控涂层主要通过调节材料表面光学和热学性能来实现热控制,是保障航天器在轨正常工作温度的重要材料。随着我国载人航天、深空探测等重大工程的不断开展,对热控涂层的性能要求越来越高,不仅要求热控涂层具有较好的热控性能,还要具有良好的空间环境适应性。本文以工程应用为背景,通过液相等离子体电解氧化技术和原子层沉积技术联用,在铝合金表面构筑具有优异空间环境适应性的低吸辐比防静电热控涂层,对于保证航天器在轨温度水
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热控涂层主要通过调节材料表面光学和热学性能来实现热控制,是保障航天器在轨正常工作温度的重要材料。随着我国载人航天、深空探测等重大工程的不断开展,对热控涂层的性能要求越来越高,不仅要求热控涂层具有较好的热控性能,还要具有良好的空间环境适应性。本文以工程应用为背景,通过液相等离子体电解氧化技术和原子层沉积技术联用,在铝合金表面构筑具有优异空间环境适应性的低吸辐比防静电热控涂层,对于保证航天器在轨温度水平、整星等电位设计以及光学系统热设计有着重要意义。利用液相等离子体电解氧化技术在铝合金表面原位生长具有低太阳吸收比和高发射率的Al2O3-Zn O-Y2O3热控涂层,采用SEM、XRD和XPS等测试技术研究了电解液组成、稀土元素种类和用量以及电源参数等对Al2O3-Zn O-Y2O3热控涂层微观结构、物相组成以及热控性能的影响规律。结果表明,当电解液组分为30 g/L Na2H2P2O7、20 g/L Na2Si O3、10 g/L Zn（H2PO4）2、10 g/L Na2EDTA、8 g/L KOH和6 g/L Y（NO3）3?6H2O,电流密度为10 A/dm~2、电源频率为500 Hz、电源占空比为30%以及氧化时间为15 min时,所制备的热控涂层性能最佳,其发射率、太阳吸收比和吸辐比分别为0.859、0.405和0.471。Al2O3-Zn O-Y2O3热控涂层具有多孔结构,为典型的类“火山口”状形貌,主要由Al2O3、Zn O和Y2O3组成,其中Al2O3为主相。为赋予Al2O3-Zn O-Y2O3热控涂层防静电能力,利用原子层沉积技术在Al2O3-Zn O-Y2O3热控涂层表面沉积掺铝氧化锌（AZO）导电薄膜,得到AZO/Al2O3-Zn O-Y2O3防静电热控涂层,探究了沉积工艺参数对涂层组成、结构、导电性能以及热控性能的影响规律。结果表明,当沉积温度为150℃、沉积压力为0.15 torr、锌铝比为24:1和循环周期为6次时,所得AZO/Al2O3-Zn O-Y2O3复合涂层具有最优的综合性能,电阻率为1.15×10-3Ω?cm,发射率、太阳吸收比和吸辐比分别为0.892、0.409和0.459,AZO改性不仅赋予Al2O3-Zn O-Y2O3涂层防静电能力,且进一步提高了其热控性能。微观形貌表征和时域有限差分法分析结果表明,液相等离子体电解氧化涂层表面及微孔内被纳米岛结构AZO覆盖,形成分布较为均匀的微纳结构,可有效提高涂层在2-30μm波长范围内的发射率。地面模拟空间环境试验是考核新材料在航天器上正式应用的必备环节,按照GJB 2502.2-2006试验要求,综合考察了所制备涂层经真空-电子辐照、真空-紫外辐照、原子氧、真空热循环等试验后结构、组成和性能的变化规律。结果表明,随电子辐照注量增加和紫外辐照时间延长,热控涂层电阻率逐渐增大至原来的3倍左右,太阳吸收比先增大后基本保持不变,发射率基本不变。当电子辐照注量达到2.0×1016 e/cm~2时,改性后涂层太阳吸收比增量从0.038降低到0.015;当辐照时间达到2000 ESH时,改性后涂层太阳吸收比增量从0.030降低到0.028,且建立的紫外辐照寿命预测模型表明,当紫外辐照时间延长至25000ESH时,Al2O3-Zn O-Y2O3热控涂层太阳吸收比的退化程度（ΔαS=0.0902）约为AZO/Al2O3-Zn O-Y2O3复合涂层（ΔαS=0.0536）的两倍。上述结果表明,AZO导电薄膜改性有效提高了涂层的抗空间电子辐照和紫外辐照能力。此外,原子氧、热循环和湿热试验等结果表明涂层的状态及性能未发生明显改变,满足应用需求。在此基础上,以XX型号外露铝合金电控箱表面防静电热控涂层应用需求为牵引,根据电控箱尺寸和结构特点,基于电场线分布的有限元分析结果,设计辅助电极,调控边角效应,得到满足电控箱表面实施要求的液相等离子体电解氧化技术,有效解决了边角效应带来的边角烧蚀问题。进一步采用原子层沉积技术进行防静电改性,在电控箱表面可控制备了与基体结合良好的轻量化低吸辐比防静电热控涂层,所得涂层面密度低至～92 g/m~2,结合强度高达～5.5 MPa,且太阳吸收比、发射率和导电性满足需求,为XX型号铝合金电控箱研制提供了材料基础与技术支撑,可有效提升航天器轻量化水平和在轨可靠性。
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