一种发射率可控的热控薄膜 |
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| 申请号 | CN201611260007.2 | 申请日 | 2016-12-27 | 公开(公告)号 | CN106799872A | 公开(公告)日 | 2017-06-06 |
| 申请人 | 兰州空间技术物理研究所; | 发明人 | 张伟文; 冯煜东; 杨淼; 张凯锋; 王志民; 王虎; 何延春; 周超; 李学磊; 王艺; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种发射率可控的热控 薄膜 ，所述热控薄膜包括：基底；反射率≥0.8的高反射率层；红外发射率0.3～0.7的高发射率层；以及保护层；其中，在基底表面上由内向外依次为高反射率层、高发射率层和保护层。本发明热控材料可实现不同吸收/发射比的调控，可实现轻量化设计，适用于新一代具有轻量化、小型化、整星等温化特点的 航天器 用发射率可控热控涂层，其结构简单，成本低廉，工艺制作方便，空间环境 稳定性 好，满足航天器表面不同部位发射率不同需求及提高热控材料耐空间辐照的要求。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种发射率可控的热控薄膜，所述热控薄膜包括： |
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| 说明书全文 | 一种发射率可控的热控薄膜技术领域[0001] 本发明属于航天材料领域，具体涉及一种发射率可控的热控薄膜。 背景技术[0002] 由于卫星等航天器在真空环境的太空中工作，周围基本没有空气等热传导介质，其热传递方式主要依靠热辐射，因此在航天器热控设计时使用自身具有不同热辐射性能的热控材料成为一种重要的热控手段。现有的热控薄膜产品一般分为涂覆式（以各种热控漆为代表）和包裹式（以聚酰亚胺薄膜镀铝二次表面镜为代表）两种，根据不同的使用要求在不同场合应用。其共同的局限性就是每种热控薄膜的性能是固定的，不能通过调整各个膜层的成分或厚度来改变自身的热控性能。 [0003] CN104561897A公开了一种用于改变智能热控材料控温能力的薄膜，其采用由硫化锌、硒化锌、硅和锗中的一种或两种以上组成的第一膜层与由氟化镁和氟化铱中的一种或两种组成的第二膜层交替层叠构成，为了在热控材料自身的红外发射率尽可能不改变的前提下，保证太阳吸收率尽可能的小，其镀膜层数需控制在 8～14层，不利于热控材料的轻量化设计。 发明内容[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种发射率可控的热控薄膜，所述热控薄膜包括： 基底； 反射率≥0.8的高反射率层； 红外发射率0.3～0.7的高发射率层； 以及保护层； 其中，在基底表面上由内向外依次为高反射率层、高发射率层和保护层。 [0006] 优选地，所述基底为柔性基底或硬质基底。基底表面被高反射率层、高发射率层和保护层覆盖后，薄膜的热控性能和环境防护性能由反射率层、高发射率层和保护层的性能决定，基本不受基底本身性能影响。 [0008] 优选地，所述高反射率层为银或铝。 [0009] 其中Ag对太阳光谱的反射率更高，因此更优选地，所述高反射率层为银。 [0011] 优选地，所述高发射率层为Al2O3、SiO2、ZrO2、WO3。 [0012] Al2O3的光谱特性曲线如图2所示，可看出其在可见及近红外波段（0.2～4μm）具有高的透过率，在热红外波段（6～11μm）的吸收比其它几种材料高，更容易提供高的红外发射率。同时其具有很好的耐原子氧和耐空间辐照性能，能抵挡原子氧及空间射线的侵蚀，防止银\铝反射层及基底的性能退化，提高整个膜系的寿命及可靠性。因此更优选地，所述高发射率层为Al2O3。 [0013] 优选地，所述保护层为SiO2，其对可见及近红外波段具有高的透过率，具有低的太阳吸收率；同时还具有良好的耐原子氧和耐空间辐照性能，能抵挡原子氧及空间射线的侵蚀，起到防止银\铝反射层及基底材料的性能退化，提高整个膜系的寿命及可靠性。此外SiO2对热红外波段的吸收谱段（主要吸收区在5～8μm）与Al2O3恰好不重合，因此其对红外发射率的提高也有较大的贡献。 [0014] 优选地，在基底与高反射率层之间，设有Al2O3阻挡层，提高薄膜的耐老化性能，从而避免薄膜长期暴露大气后太阳吸收率的增加。 [0015] 优选地，在所述的保护层外还有一层导电层，可以起到防静电的目的，而且基本对其热控无影响。导电层的取舍一般由卫星整体防静电要求决定，并不是本发明涉及的发射率可控热控薄膜必须具备的。 [0016] 更优选地，所述导电层为氧化铟锡。 [0017] 本发明的有益效果：本发明热控材料可实现不同吸收/发射比的调控，可实现轻量化设计，适用于新一代具有轻量化、小型化、整星等温化特点的航天器用发射率可控热控涂层，其结构简单，成本低廉，工艺制作方便，空间环境稳定性好，满足航天器表面不同部位发射率不同需求及提高热控材料耐空间辐照的要求。 附图说明 [0018] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是实施例1热控薄膜的结构示意图，其中，1、基底，2、高反射率层，3、高发射率层，4、保护层。 [0019] 图2是Al2O3的光谱特性曲线。 [0021] 图4是实施例1热控薄膜的结构示意图，其中，1、基底，2、高反射率层，3、高发射率层，4、保护层，10、Al2O3阻挡层。 [0022] 图5是实施例3热控薄膜热控薄膜的光谱反射曲线及300K黑体辐射强度曲线。 具体实施方式[0023] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。 [0024] 本发明的发射率可控热控薄膜的太阳吸收率和红外发射率可以通过高发射率膜层和保护层的不同厚度调节，达到合适的热控性能，而且热控参数可以依照热控设计要求精确控制。两个主要热控参数 半球发射率和太阳吸收率的设计、调整主要取决于高发射率膜层和保护层的成分、结构及总厚度。 [0025] 初步确定各膜层厚度后需要结合热学计算来判定膜厚的合理性。此类发射率可控热控薄膜的红外发射率和太阳吸收率可以通过理论计算。 [0026] 首先代入初步确定的高反射率层和高发射率层的厚度，构建光学模型需要两个随波长变化的光学参数 折射率n和消光系数k，借助光学设计软件，可得到理论计算的波长250nm到 范围整个膜系的反射率数值。 [0027] 根据整个膜系的反射率数值，通过热力学相关知识利用数值计算的方法可以计算出薄膜的发射率和太阳吸收率。具体如下：各温度T下的总发射率 的计算采用下列经典公式计算： 其中，ib(λ,T)为材料的普朗克黑体辐射系数， ib(λ,T) = (2phc2/l5)·(ehc/kTl−1)−1，其中，λ为波长，h为普朗克常量，c为光速，k为晓光系数； 为半球发射率，由于金属-介质多层复合结构热控薄膜结构中薄膜的总透过率可以忽略，则有 其中， 为膜系的太阳吸收率， 为膜系的光谱反射率，则式（1）改写成： 而薄膜的太阳吸收率可以通过以下公式计算： 其中is为太阳辐射强度。 [0028] 根据以上方法可计算出初步确定膜厚的发射率可控热控薄膜的太阳吸收率和半球发射率，根据计算结果对薄膜厚度进行调整，重新带入光学设计软件得到新的热控参数，如此反复最终可得到所需热控性能对应的膜系厚度结果。 [0029] SiO2与Al2O3均在热红外段（5～ ）具有较高的吸收率，特别是在6～14mm段具有很高的吸收率，所以只要膜厚达到微米量级，材料就具有较高的红外发射率。 [0031] 实施例1一种发射率可控的热控薄膜，基底为聚酰亚胺，在基底表面由内向外依次为150nm厚的银膜、1.9μm厚的Al2O3层和400nm厚的SiO2层，结构如图1所示。薄膜的太阳吸收率为0.13。 [0032] 热控薄膜在波长200～20000nm的反射率光谱及300K黑体辐射强度曲线见图3。由图可看出薄膜在8～13μm的热红外区具有高的太阳吸收率），300K黑体的辐射强度峰值正处于此波段，这表明制备的热控薄膜具有高的热发射率，通过此曲线计算出薄膜的半球发射率为0.59，而通过AE辐射计测量薄膜的半球发射率为0.58，结果基本吻合。 [0033] 实施例2实施例1制备的薄膜在长时间暴露大气后其太阳吸收率明显增加，薄膜的Ag反射层发黑。分析认为银反射层发生了氧化，原因在于聚酰亚胺基底不够致密，使大气中的氧分子穿透进入Ag膜中使其氧化，为此对实施例1的薄膜进行改进，改进点在于在聚酰亚胺基底与银膜之间增加一层50nm厚的Al2O3阻挡层，改进后的薄膜膜结构见图4。改进后薄膜在经过暴露大气8个月后未发现吸收率的衰退。 [0034] 实施例3一种发射率可控的热控薄膜，基底为聚酰亚胺，在基底表面由内向外依次为50nm厚的Al2O3阻挡层、150nm厚的银膜、1.9μm厚的Al2O3层和550nm厚的SiO2层。该热控薄膜的光谱反射曲线及300K黑体辐射强度曲线见图5（A为本实施例薄膜300K黑体辐射强度曲线，B为本实施例薄膜光谱反射曲线，C为实施例1薄膜光谱反射曲线），可见加大SiO2层的厚度，可以增加5μm～8μm的吸收，提高红外发射率。薄膜的太阳吸收率为0.12，半球发射率为0.68，吸收辐射比为0.18。 [0035] 实施例4一种发射率可控的热控薄膜，基底为聚酰亚胺，在基底表面由内向外依次为50nm厚的Al2O3阻挡层、150nm厚的银膜、1.9μm厚的Al2O3层、550nm厚的SiO2层、100nm厚的氧化铟锡（ITO）层。 [0036] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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