热控涂层光学性能退化模型研究

2022-10-27

一、引言

材料渐变折射率即的折射率逐渐变化 (沿着一定方向) 。薄膜材料的渐变折射率薄膜是薄膜的折射率在水平方向上均匀不变但在其膜面的法线方向上逐渐变化。

是卫星热控体系的关键构成组分, 热控涂层利用涂层改变航天器的表面热物理性质在辐射热交换中有效地控制卫星的温度, 使之在温控过程中, 设备仪器工作时的温度不超过安全范围, 确保卫星内部的正常工作环境。原理是调节物体表面的太阳吸收率和红外发射率来控制物体的热平衡。卫星飞行时, 在它外表面的热控涂层会受到太空中质子、电子、紫外以及原子氧、等离子体、冷热交变的作用而导致光性能退化。其中带电粒子的照射将引起白色涂层吸收量增加, 降低光学性能, 进而影响其热控性能, 严重减少航天器的安全性与使用周期。我国以及国际上开展了一系列的理论研究及地面模拟和空间搭载试验, 用来评估热控涂层的光学性能在太空辐射下的退化。以空间辐射与表面材料作用机理研究为基础, 确立长寿命卫星热控涂层材料光性能退化模型, 并根据地面模拟试验对其长期退化的状况进行预测。在低地球轨道环境中, 主要气体成分为原子氧。航天器在低地球轨道飞行中原子氧与航天器之间的相对速度为八公里每秒, 若原子氧以约5 e V的能量与卫星冲撞, 则相当于卫星与约五万开尔文高温的原子氧直接反应。在原子态氧等太空环境的影响下, 热控涂层表面会发生严重的腐蚀现象, 造成表面粗糙、减薄并有质量损失, 表面涂层的化学成分也会发生较大的变化。热控涂层吸收率和发射率将发生变化, 导致卫星温度偏离设计值, 会造成一些部件工作异常, 甚至会导致飞行任务失败。热控涂层在空间环境中发生光学性能退化是必然的, 且产生的后果是严重的, 故对此退化现象进行分析有利于提高卫星飞行的可靠性和使用寿命。本文会在理论上为进一步研究热控涂层在空间中的光学性能退化规律提供指导。

二、退化模型

在模拟真空环境中, 用某水平通量密度和束流能量的氧原子对聚酰亚胺材料进行辐射加工, 用SEM分析法对辐射加工之前的样品和加工之后的样品进行分析, 发现聚酰亚胺薄膜材料被原子态氧辐射加工后, 其表面变成凹凸不平、灰白相间的绒毛状外部特征, 而不同于加工前的光滑和平整。由此表明在原子态游离氧的影响下, 测试样品表面发生了腐蚀现象, 使得涂层样品表面变得粗糙, 样品厚度也变薄了, 这会严重影响热控涂层的性能, 尤其是光学性能。聚酰亚胺镀铝热控涂层由两层组成, 由于受到原子态氧的各种物理及化学影响, 位于外层的聚酰亚胺材料变得凹凸不平, 腐蚀严重。所以对受到物理及化学反应的聚酰亚胺薄层进行分析, 是分析热控涂层的光学性能时的重点。假定厚度为d L的涂层为L, 该涂层的复折射率是n L-i k L, 而另一厚度是d H的涂层为H, 该材料的复折射率是n H-ik H, 材料遭到剥蚀的深度为d0, 完好无损的厚度为d’L, 则一定会有d0+d’L≤d L。在涂层材料的深处, 材料被原子态氧剥蚀的程度越来越低, 涂层越来越致密, 折射率越来越大, 所以可以把此种遭到原子态氧剥蚀的薄膜看成渐变折射率涂层薄膜 (按涂层表面法线方向变化) 。薄膜的折射率由环境中大气的折射率n0缓慢变化到折射率为n L-ik L的固定折射率涂层薄膜。我们可以按照分层介质理论把折射率变化薄膜沿薄膜法线方向看成N个亚层, 每个亚层的实际薄厚一直而且折射率相同。把所有亚层的特征矩阵乘在一起获得总特征矩阵, 再用总特征矩阵元计算出透射系数和反射系数。就可以计算出薄膜的总透射率、总吸收率、和总反射率以及反射相移这些需要知道的光学性能。

在分析热控涂层的光学性能时, 考虑到热发射率和吸收率是热控薄膜的关键参数对材料的反射性能和吸收性能要重点分析。由于影响材料吸收光子的关键因素是由材料的导电系的, 当材料的导电系数不为大于零时, 材料的折射率是复数而不是实数, 即n^=n-i k, 式中n^为复折射率, n为折射率, k为消光系数。

三、结束语

电子、质子、原子氧、紫外温度骤变和空间碎片等太空污染全对热控涂层产生功能耗损的影响, 引起热控涂层粗糙, 减薄或材料成分的变化。这些变化均可视为热控涂层折射率和厚度的变化。要计算得到热控材料的光学性能的变化率, 只要测得热控材料的最初厚度和光学常数, 和辐射加工后的涂层材料光学常数和厚度, 再通过分析和计算即可。在现实的应用中, 只要借助于地面模拟实验和空中飞行实验, 计算分析出原子态的氧对热控薄膜材料的影响的具体数据, 就可以预测热控涂层材料在氧原子影响下的光学性能退化趋势。我们只要了解了涂层厚度变化和折射率随厚度的变化关系, 就可以利用这一模型对热控涂层材料的光学性能在太空辐射加工作用下的退化规律进行分析预示。同时, 该模型也可用来分析研究空间辐射加工环境下一般光学材料的光学性能退化规律。

摘要：在分析以ZnO为颜料的S781热控白漆电子辐射加工作用机理的基础上, 根据材料吸收光子的理论、材料的辐射加工剂量深度分布理论等, 对材料进行分层解析, 在实验研究成果的基础上, 得到了在空间辐射加工影响下热控涂层退化的模型, 然后用渐变折射率复折射率分析了材料热控涂层的光学性能进行, 推出退化前后热控涂层光学性能变化的表达式, 最后对热控涂层光学性能退化模型的应用进行了探讨。使用Matlab计算出了模型中的待定参数。来预测ZnO白漆类热控涂层空间辐射加工环境下光学特性退化。

关键词：热控涂层,光学性能,辐射,退化模型