卫星柔性热控材料性能及其稳定性研究.pdf

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1、中 国 空 间 科 学 技 术 第6 期 CH I N ESE SPACE SCI EN CE A ND FECH N()I ()G Y 卫星柔性热控 材料性 能及其稳定性研究 卢榆 孙 范本 尧 一 冯 煜 东 翟 厚 明 王 艺(兰州 物理 研究 所 兰州 7 3 0 0 0 0)(一 中国字 问技 术研 究 院 北 京 1 0()0 8 1)摘 要 阐述 热 控 材料 的性 能 以及 它在 空 间 模拟 环 境 下 的 稳 定 性。测 试 表 明所 镀 制 的 产 品其 光、热、电性 能很 好，且 在 模 拟 空 间环 境 下 如 电子 辐 照、紫 外辐 照、原 子 氧 作 用 以及 湿

2、 热环 境 下 其 稳 定 性 能 优 良。AF M 分 析 表 明 镀 膜 方 法 和 工 艺 对 制 备 高 质 量 T0 膜 和 高反 射 A1 膜 十 分 重要。主题 词 柔 性 材 料 温 控 涂 层 镀 膜 稳 定性 试 验 1 引言 为 了 卫 星 安 全 工 作，使 用 热 控 材 料 是 十 分 重 要 的。热 控 材 料 在 空 间 环 境 下性 能 的 稳 定 性 关系到卫星高可靠和长寿命。在 中国，在 Ka p t o n基底上进 行 导电型和非 导电型热 控 材 料 的 研 究 开 始 于 5年 前，氧化 锡 薄 膜 被 选 作 产 品 的 导 电 材 料。经 过 一

3、 系 列 在 不 同 模 拟 空 间 环境 下 的 稳 定 性 试 验，表 明所 镀 制 的热 控 材 料 是 十 分好 的。特 别 是 在 电子 辐 照、紫 外 辐 照、原 子 氧 作 用 以及 湿 热 环 境 下 的稳 定 性 十 分优 良。本 文将 介 绍 导 电 型 及 非 导 电型 热 控 材 料 的 性 能，同时 对 在 模 拟 空 间 环境 下 光 学 性 能、热 学 性 能、导 电性 能 及 其 稳 定 性 进 行 讨 论。2 产 品制备 对于卫星长 寿命、高可靠而言，热控材料不仅应该具有达到要求 的太 阳吸收率 和发射 率，而且应具有 高的稳定 性。稳定性的含义包括两个方面：

4、一是在贮存环境，尤其在某些 特殊环境条件 如高热 高湿 地域中存放期间应有 良好 的稳定性；二是指卫星在空 间环境 中运 行时。热控材料 在经受严 酷空间环境作用下。仍保持着 良好 的光、热、电等性 能。柔 性 Ka p t o n基 底 热 控 材 料 可 分 为 导 电 型 与 非 导 电 型。非 导 电 型 热 控 材 料 是 在 基 底 材 料一侧镀制 高反射铝膜，而导电型热控材料则需在朝 向太空 的另一侧加镀 一层 高透 明的氧 化 锡 薄 膜。(见 图 1)。由于直 流磁 控溅射 具有 低温成 膜 以及高 的溅射 能量 的特点 能够 制备 出高 质量 的薄 膜。所 以选 择 这 一

5、方 法 制 备。为 此 目的，专 门研 制 了一 台 可 镀 制 大 面 积 柔 性 基 底 薄 膜 的镀 膜 设 备。其 本 底 真 空 及 工 收稿 日期：2 0 0 2 0 8 0 9 维普资讯 http:/ 中 国 空 间 科 学 技 术 2 0 0 2年 1 2月 Ka p t o n Ka p r o n (b)非导 电型 AI 图 1 导 电 型与 非导 电型柔 性热 控 材料 作 真 空 分 别 是 1 O 和 1 O。P a。工 作 气 体 为Ar 和O。，纯 度 均 是 9 9 9 9 。抽 气 机 组 由 机 械 泵 和 低 温 泵 组成。Ka p t o n 基 底 厚

6、 度 2 5 p m，宽 度5 0 0 mm，长 度 从 6 0 0 0 mm 到 1 2 0 0 0 mm 可 任 选。平 面 磁 控 溅 射 靶 的 尺 寸 为 5 6 0 mm(长)6 0 mm(宽)，由 于 宽 长 比达 1：9，所 以通 常 的宽 靶 结 构 中的磁场设计不适 用 于此结构，因 测射材料 图 2 靶结 构 为它存在 明显 的横 向漏磁，大 大削弱了靶面的磁感 应强度。为 了保证靶 面的磁感应 强度不 低 于 3 0 0高 斯(O 3 T)，采 用 了新 型 非 平 衡 磁 场 结 构 设 计，见 图 2。3 光、电性 能 利用紫外一可 见光一红外 分光光度计对材料从

7、0 3 p m2 5 p m 波长范 围内的透射率 r 和反射率 R 进行 测量。表面电阻 R口用面 电阻测试仪测试。太 阳吸收率 a 用美 国 S S R E R 装 置 测 量。材料 发 射 率 e 用 美 国造 RD-1 装 置 测 量。通 过反应直流磁控溅射镀制 的氧化锡薄膜具有特殊 的光 学性 能，比如在可见光区和近 红外 区具 有高的透明度。样品 的特 征光谱 表 明在 0 4 m2 r f l 范 围 内，氧 化锡 透射 率在 0 9 5以 上。大面积氧化锡导电膜具有非常好 的电学性能，其表面 电阻可 以通过调节 Ar 和 的分 压强进行控制，根据不同需要可 以将表面电阻控制在

8、1 1 0 Q 口1 1 0 。Q 口范围内。4试 验 与讨 论 有 关 此 材 料 的 试 验 包 括 紫 外 辐 照、电子 辐 照、质 子 辐 照、原 子 氧 作 用、热 循 环、湿 热 试 验 以 及模 拟 地 球 轨 道 亚 暴 环 境 下 的充 放 电试 验 等。(1)紫外 辐 照 将 5个 样品放 置在 具 有紫外 光源 的高 真空 环境 中。这些 样 品分别 是：Ka p t o n基 底、A I+Kap t on、Ka pt on+TO、Al+Ka pt on+T()、Al+Ka pt o n+I TO。模 拟 装 置 参 数 如 下：维普资讯 http:/ 2 0 0 2年

9、1 2月 中 国 空 间 科 学 技 术 工作压力低于 5 1 0 P a，光源 的波 长 范 围 2 0 0 n m 到 4 0 0 n m，辐 照 强 度 在 2 5倍 太 阳 常 数 中 任 选，通 常 取 3倍 太 阳 常 数，以 避 免 样 品 的 热 效 应，总 辐 照 时 间(当量 太 阳小 时)达 8 2 o o h。在 直 径 为 1 2 0 mm 的 面 积 内 均 匀 性 优 于 7 O 。试 验 结 果 如 图 3所 示，可 以 发 现 在可 见 光 区 Ka p t o n+T O 样 品 经 过 紫 外辐 照 后 透 过 率 只 有 很 小 的 变 化。而 未镀 T

10、O膜 的 K a p t o n材料经过紫外辐 照后 透 过 率 有 明 显 的 减 小。这 一 试 验 表 明镀 制 了 T O 薄 膜 能 够 有 效 的保 护 基底 避 免 紫 外 辐 照 的 影 响。图 4表 明 具有 T O 薄 膜 的 热 控 材 料 太 阳 吸 收 率 的变 化 小 于 I T O 薄 膜 的样 品。这 表 波长 n m 图 3 Ka p t o n基底 及 Ka p t o n+TO紫 外辐 照 前后 透 过率 曲线 对 比 明镀制 有 T O 薄 膜 的材 料其 紫外 稳 定性 性 能 优 于用 蒸 发方 法 镀制 的 I TO薄 膜 材 料。(2)电 子 和

11、 质 子 辐 照 对 导 电 型 热 控 材 料 和 非 导 电 型 热 控 材 料 进 行 了 电 子 与 质 子 辐 照。电 子 辐 照 能 量 2 2 0 k e V，剂 量 为 5 7 1 0 c m；质 子 辐 照能 量 1 4 0 k e V，剂 量 为 l _ 5 1 0 c m。试 验 表 0 4 2 哥 0 4 0 0 3 8 0 3 6 嬖 4 0 3 2 0 3 0 a p t o n Al-m-I T O K a p t o n Al 相同太阳时 图 4 TO Ka pt o n Al 和 I TO Ka p t o n Al 经过 紫外 辐 照后太 阳吸收 率 a 变

12、化 明经 过 质 子 辐 照 后，镀 有 TO 膜 和 I TO 膜 材 料 性 能 变 化 很 小，而 且 二 者 是 一 致 的(如 表 1)。经 过 电子 辐 照。I T O 薄 膜 的 方 阻 值 变 化 非 常 大(如 表 2)。图 5是镀 有 TO 薄 膜 的热 控 材 料 以 及镀 有 I T0 薄 膜 的 热 控 材 料 在 电 子 辐 照 前 后的 AF M 形 貌 分析。电子 辐 照前，T O 薄 膜 和 I TO 薄 膜 都 是 多 晶 组 织(晶粒 尺 寸 约 4 O 5 0 n m)。经 过 辐 照 后。TO 薄 膜 的 晶 粒 尺 寸 并 没 有 发 生 变 化，而

13、 I T()薄 膜 的 晶 粒 被 粉 碎，变 得 很 小，约 1 O 2 0 n m 左 右，因此 增 加 了 电 子 在 材 料 表 面 移 动 的 阻 力，样 品 面 电 阻 R n变 得非常大，比电子辐 照前 的 R口大了 7个半数量级，而 TO膜 的 R口仅增大 了不到 4倍。表 1 质 子 辐 照后膜 材料 性能 变化 样 品 I TO Ka p t o n Al TO Ka p t o n Al TO Ka p t o n A1 试 验 前 a O 3 3 2 O 3 4 3 O 3 4 3 试 验 后 a O 4 1 1 O 4 2 5 O 3 8 5 a O O79 008

14、2 0 042?2 4 2 4 1 2 试 验 前 1 2 1 k t 2 口 7 0 1 k t 2，口 7 6 7 k D,口 试 验 后 2 5 k n口 1 9 2 k f z 口 6 4 k D,口 维普资讯 http:/ 中 国 空 间 科 学 技 术 表 2 电子辐 照后 膜材 料性 能 变化 样 品 口 口 R k n I T0 辐 照 前 0 3 3 0 6 2 5 1 5 Ka p t o n A1 辐 照 后 0 3 7 9 1 2 1 0 “T0 辐 照 前 0 3 4 2 7 6 6 1 5 Ka p t o n Al 辐 照 后 0 3 9 4 3 2 O (3)充

15、 放 电试 验 我 们 对 导 电 型 和 非 导 电 型 热 控 材 料 进 行 了模 拟 亚 暴 环 境 下 的 充 放 电 性 能 试 验。电 子 能 量 为 3 0 k e V，工 作 压 强 小 于 1 0 P a。结 果 表 明 TO 薄 膜 可 以 有 效 的 降 低 材 料 表 面 的充 电 电势。表 3表 明，具 有 TO 薄膜 的 样 品在 充 貌(b)(c)I T O薄膜辐照前形貌(d)I TO 薄膜辐照后形貌 图 5 T 0 和 I T O 薄膜 辐照前 后 表面 形貌 电状 态下表面充电电压低于 l O O V，当 电子 束关 闭后。其 电位 马上 变为 0。在试 验

16、 中并没 有观 测 到 放 电 现 象。面 积 约 2 0 0 mm 2 0 0 0 mm 的 具 有 TO 薄 膜 的 Ka p t o n基 底 热 控 材 料，于 1 9 9 5年 在 我 国 S J 一 4卫 星 上 进 行 了 飞行 试 验。遥 测 数 据 表 明 TO 薄 膜 能 够 有 效 的 控 制 卫 星 表 面 的 充 电 电 压。(4)原 子 氧 作 用 导 电 型 Ka p t o n基 热 控 材 料 还 进 行 了模 拟 原 子 氧 作 用 的 环 境 试 验。测 试 结 果 如 表 4、5、6所 示。结 果 表 明，镀 有 TO 膜 的 材 料 具 有 明 显 的

17、 防 原 子 氧 侵 蚀 的 作 用。2#样 品 质 损 0 4 mg，变 化 1 2 ，1#样 品 质 损 0 6 rag，变 化 1 7 多 一 点，太 阳 吸 收 率 n 变 化 也 不 大，尤 其 2#样 品 n 从 0 3 2 9增 大 到 0 3 3 9，仅 增 大 0 O 1。还 须 指 出 2#试 样 受 原 子 氧 作 用 时 间 比 1#样 品 还 多 8 h，可 见 2#试 样 稳 定性 更 优 于 1#样 品。(5)湿 热 试 验 一组 热 控 材 料 样 品放 置 在 内部 装 有少 许 水 的 容 器 内，该 容 器 再 放 置 在 一 个 烘 箱 中，表 3热 控

18、 材 料 充 放 电 试 验 结 果 样 品 E kV U i 7 5 7O O 1#l 25 90 O 22 5 90 O 7 5 84 O l 5 8O O 2#22 5 85 O 27 5 90 O 75 00 O 1 5 60 O 3#22 5 8O O 30 85 O 注：此 表 中，E为 电子 能量，【，为充 电电压，n是 放 电次数。其 温 度 保 持(5 0 2)2 4 h，然 后 取 出样 品 分 别 测 量 n 和 。试 验 发 现，在 测 试 后，在 I T O 膜 的样 品 表 面 出 现 了一 个 由测 量 探 头 造 成 的 圆形 压 痕。但 是 此 现 象 并 没

19、 有 在 TO 膜 表 面 出现。说 明 经 过 湿 热 试 验 后，I T()材 料 变 的 十 分 疏 松 而 TO 膜 并 没 有 受 到 任 何 影 响。这 也 说 明 采 用本 方 法 镀 制 的 TO 膜 的 结 构 非 常 紧 密。此 外，肉 眼 观 察 可 明 显 看 到 镀 I T()圈 一 圈 豳 一 豳 维普资讯 http:/ 2 0 0 2年 1 2月 中 国 空 间 科 学 技 术 4 7 膜 的进 13产 品 经 过 湿 热试 验 后，Al 反 射 膜 出 现 了不 少 块 状 剥 落，同样 说 明 进 13产 品 Al 膜 与 Ka p t o n基 底 的结 合

20、 并 不 牢 固，相 反，镀 TO 膜 的 国产 热 控 材 料 的 AI 膜 并 没 出 现 明 显 的 剥 落。表 4原 子 氧作 用前 后热 控材 料太 阳 吸收率 a 变化 样 品号 样 品名 称 原子 氧作 用前 作 用 1 2 h 作用 2 5 h 作 用 3 8 h 作 用 5 0 h 备 注 1#T O Ka p t o n A1 O 3 3 2 O 3 6 O *作用 4 2 h测试 2#TO Ka p t o n A1 O 3 2 9 O 3 3 8 0 3 4 0 0 3 4 0 O 3 3 9 表 5原 子 氧作用 前后 热控 材料 质量 损 失变化 样 品号 样 品名

21、 称 原 子 氧作 用前 作用 I 2 h 作用 2 5 h 作 用 3 8 h 作 用 5 0 h 备 注 1#TO Ka p t o n A1 0 0 3 4 8 g 0 0 3 4 2 g *作用 4 2 h后测 试 2#TO Ka p t o n A1 0 0 3 4 0 g 0 0 3 3 5 g 0 0 3 3 5 g 0 0 3 35 g 0 0 3 3 6 g 表 6 原 子 氧作 用前后 热 控材 料的 方 阻 R口变 化 样 品号 样品 名称 原子 氧作 用前 作 用 1 2 h 作用 2 5 h 作 用 3 8 h 作 用 5 0 h 备注 1#T O Ka p t o

22、n A1 6 4 8 k a 口 3 3 9 k n 口*作 用 4 2 h测试 2#TO Ka p t o n A1 1 0 5 kn 口 61 k n 口(6)热 循 环试 验 将 一 个 镀 有 TO 膜 的 Ka p t o n样 品浸 没 在 液 氮 中 3 0 s，然 后 立 刻 取 出，并 放 置 在 1 0 0 的烘 箱 中 3 mi n。这 样 往 复循 环 1 0 0次。分 别 对 TO 膜 和 I TO 膜 表 面 电 阻 进 行 测 量，结 果 表 7热 循环试 验 前后 T O 膜与 I T O膜 表 面电 阻变化 样 品 试验前 方 阻 Ma 试 验后 方阻 Mr

23、2 T0 53 O 61 0 1 T0 O，85 O 1 3 O 如表 7所 示。数 据 显 示，对 于 热 循 环 试 验 来 说，TO 膜 是 稳 定 的，而 且 T O Ka p t o n A1 材 料 的太阳吸收率 a 也是十分稳定 的。另 外，为 了减 小 材 料 表 面 的充 电 现象，我们 还进 行 了 打 孔 型 材 料 的 研 究，初 步 表 明材 料 表面的充放电现象将会更好地被抑制。5 结 论 我们 制 备 的 导 电 型 Ka p t o n基 柔 性 热 控 材 料 具 有 良好 的光、热、电 性 能，还 具 有 良好 的空 间 环 境 稳定 性 和 地 面 贮 存

24、 稳 定 性。同时 表 明热 控 材 料 的 性 能 与 我 们 的 制 备 方 法 和 工 艺 参 数 有 关。目前，我 们 制 备 的导 电型 柔 性 热 控 材 料 已用 于 我 国 的 多 种 卫 星 上。致 谢：对 陶 业 坚 高 级 工 程 师 和 郭 云 工 程 师 在 a 、e和 AF M 测 试 中给 予 的 帮 助 表 示感 谢。维普资讯 http:/ 4 8 中 国 空 间 科 学 技 术 2 0 0 2年 1 2月 1 CH OPRA K Fi l ms1 98 3 2 Sc hmi dt R E 3 I u Yus un，Li 3 08Can ada，参 考 文 献

25、I M AJ OR S，PANDYA D K Tr a n s p a r e n t Co n d u c t o r s S t a t u s Re v i e w Th i n S ol i d l 02：1 46 Char gi n g Cont r ol Sa t e l l i t e M a t e r i a l s，Par t 1 AD-B 04 8384 H u a。e t a 1 Appl i c at i on o f f i l m f or c on t r ol l i ng c har gi ng on s at e l l i t e s ur f a c

26、e 42nd I AF 91 1 9 91 作 者 简 介 卢 榆 孙1 9 4 0年 生，1 9 6 3年毕 业 于 吉 林 大 学 物 理 学 院 物 理 专 业。研 究 员。长 期 从 事 真 空技 术、空 间 环 境 模 拟、真 空 镀 膜 及 薄 膜 技 术 在空 间技 术 中的 应 用 研 究。发 表 过 多 篇 论 文，其 中有 八 篇 论 文 被 美 国 NAS A 和其 他 政府 机 构 收 录。范本尧1 9 3 5年生，1 9 5 8年毕业 于清华 大学 固体力 学专业。研究 员。中国空间技 术 研究院科技委常委，中国通信卫 星系列总设 计师，长期从事飞行器结构 和强度分析

27、及卫星 总体设计工作，多次 获航 天系统 科技 进步 奖 国家 级科 技进 步奖 和全 国科 学大会 奖；曾在 P I S S TA 等 国 际会 议 及 国 内 重 要 学 术 期 刊 上 发表 过 多 篇 论 文。S t u dy o f Pe r f o r ma nc e a nd S t a bi l i t y of Fl e xi bl e S a t e l l i t e Th e r ma l Co nt r o l M a t e r i a l s Lu Yus un Fa n Be ny a o Fen g Yud ong Zha i H ou m i ng W a

28、ng Yi (La nz hou I ns t i t ut e of Phy s i c s，La nz hou 73 00 00)(一 Ch i n e s e Ac a d e my o f Sp a c e Te c hn o l o g y，Be i j i n g 1 0 0 0 8 1)Ab s t r a c t I n Ch i n a。t he f l e xi bl e t he r m a l c ont r ol m a t e r i al s ha v e b e e n r e s e ar c h e d an d d e ve l o pe d f or o

29、v e r 1 5 y e a r s Pe r f o r m a nc e o f t he t he r m a l c ont r o l mat e r i a l a nd i t s s t ab i l i t y u nd e r t he s i m ul a t e d s pa c e e nv i r o nm e nt s i s d i s c us s e dThe r e s ul t s o f m e a s ur i ng a nd t e s t i ng i n di c a t e d t ha t opt i c a l，t he r m a l

30、 a nd e l e c t r i c a l p er f or m a nc e of t he pr oduc t s i s g oo d Es pe c i a l l y，i t s s t ab i l i t y f or e xa m p l e，U V r ad i a t i on。e l e c t r o n b e a m i r r a di a t i onat om i c ox yge n a c t i on a nd i n we t t he r m a l s t or e a m b i e n t i s a l s o e xc el l

31、e nt The AFM a na l y s i s s how t ha t t he m e t h ods a nd t e c hn ol ogy of pr e pa r i ng TO an d h i g h r e f l e c t anc e AI f i l m s a r e v e r y i m p or t a nt At t he s a m e t i m e，t he t he r ma l c ont r ol m a t e r i al s p un c he d wi t h hol e s a r e de ve l o pe d s uc c e s s f u l l y S u b j e c t Te r m Fl e x i b l e ma t e r i a l Th e r ma l c o n t r o l c o a t i n g Fi l m p l a t i n g s t a b i l i t y Te s t 维普资讯 http:/