星載縫隙波導(dǎo)天線熱控涂層的制備工藝*

李春林，辛世剛

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所特種涂層重點實驗室， 上海 200050)

星載縫隙波導(dǎo)天線熱控涂層的制備工藝*

李春林1，辛世剛2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所特種涂層重點實驗室， 上海 200050)

鋁合金光亮陽極氧化型熱控涂層具有生產(chǎn)效率高、成本低、不增加產(chǎn)品重量及熱控參數(shù)穩(wěn)定可控等特點，正逐漸成為星載SAR天線縫隙波導(dǎo)的首選熱控涂層。文中采用硫酸光亮陽極氧化工藝，研究了鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)星載縫隙波導(dǎo)表面熱控涂層的制備工藝流程及涂層的試驗方法。試驗結(jié)果表明，該涂層能在空間環(huán)境中長期可靠地工作，其熱控參數(shù)滿足整星熱設(shè)計的需求。

鋁合金縫隙波導(dǎo)；陽極氧化；熱控涂層；半球發(fā)射率；太陽吸收比

引 言

縫隙波導(dǎo)天線具有工作帶寬寬、效率高、隔離度高及交叉極化低等優(yōu)點，正逐漸成為星載SAR天線的發(fā)展方向。在現(xiàn)階段，星載縫隙波導(dǎo)天線主要采用輕質(zhì)薄壁精密鋁合金零件組裝成一個輻射陣面，工作于外部空間環(huán)境中，其表面溫度受外部熱源(如太陽)的影響較大[1]。要避免SAR天線受外部熱源的影響，縫隙波導(dǎo)外表面的熱控設(shè)計就顯得尤為重要。

航天產(chǎn)品一般采用被動熱控制技術(shù)中的熱控涂層來調(diào)節(jié)固體表面的熱輻射性能，從而達到控制溫度的目的。太陽吸收比(αs)和半球發(fā)射率(εH)是2個重要的可控?zé)彷椛湫阅軈?shù)。物體對太陽輻射的吸收使熱量輸入航天器并使其溫度上升，而半球發(fā)射率決定了物體向空間輻射自身熱量的能力。物體表面的熱平衡溫度(T)取決于太陽吸收比和半球發(fā)射率比值的1/4次方[2]，即T= [αsSAa/(εHσAε)]1/4(Aa為物體表面在垂直于太陽光的平面上的投影面積，Aε為物體表面的輻射面積，S為太陽常數(shù)，σ為斯忒潘-波爾茲曼常數(shù))。

某型號星載SAR天線縫隙波導(dǎo)材料為易釬焊的軟材質(zhì)鋁合金，該材料本體太陽吸收比約為0.37，半球發(fā)射率約為0.15，即αs/εH≈ 2.5，在太陽垂直照射的條件下，其表面溫度會迅速升高。為保證天線陣面在空間環(huán)境中處于一個合適的溫度范圍，使其在各種可能的情況下均能正常工作，經(jīng)熱控系統(tǒng)分析計算并結(jié)合產(chǎn)品的特點，縫隙波導(dǎo)外表面采用熱控涂層來適應(yīng)外部惡劣的熱環(huán)境，對涂層的太陽吸收比和半球發(fā)射率均提出了較苛刻的指標(biāo)要求，其比值為αs/εH≈ 0.43。

1 熱控涂層的選擇

縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬典型的中空薄壁精密零件，輻射縫隙貫穿內(nèi)、外壁表面(如圖1所示)，要求內(nèi)腔表面保持良好的導(dǎo)電性而外壁表面制備涂層以滿足規(guī)定的熱控參數(shù)值。

圖1 縫隙波導(dǎo)

對比分析各類熱控涂層的性能并結(jié)合縫隙波導(dǎo)的特點，涂料型有機白漆或電化學(xué)型硫酸光亮陽極氧化涂層可能是較好選擇。有機白漆空間穩(wěn)定性差，與基材結(jié)合強度低，會額外增加縫隙波導(dǎo)的重量，施工工藝復(fù)雜且制備成本高，一般很少采用[3]。而鋁合金硫酸光亮陽極氧化熱控涂層具有膜層表面平整、光透過率高、抗紫外能力強、真空環(huán)境穩(wěn)定、膜層和基材結(jié)合牢固、對精密結(jié)構(gòu)尺寸無影響、不增加零件重量且制備成本低等優(yōu)點，在空間環(huán)境有廣泛的應(yīng)用需求。因此選擇光亮陽極氧化涂層作為縫隙波導(dǎo)的熱控涂層，而在該種軟材質(zhì)鋁合金材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件表面制備高性能熱控涂層在國內(nèi)尚屬首次。

2 實驗方法

2.1 試樣涂層的制備

采用與縫隙波導(dǎo)同批次鋁合金作為試樣材料，外形尺寸為2 mm × 60 mm × 60 mm，加工工藝與縫隙波導(dǎo)的成形工藝相同以使二者的狀態(tài)保持一致。試樣先在丙酮中超聲除油10 min，用蒸餾水清洗，再用1 mol/L的NaOH溶液浸泡1 min，以去除鋁表面的自然氧化層，用蒸餾水清洗，然后用體積比為30%的硝酸水溶液浸泡1 min；清洗好的零件在80 ℃進行電化學(xué)拋光，拋光液由磷酸(15%)與鉻酸(5%)配制，拋光電壓為15 V，時間為5 min，用蒸餾水清洗，電吹風(fēng)吹干；經(jīng)以上過程處理過的試樣在濃度為12%、溫度為(10±1)℃的硫酸電解液中以15 V的直流恒定電壓進行陽極氧化處理；在100 ℃的蒸餾水中對氧化后的試樣進行封孔。試樣制備光亮陽極氧化涂層的工藝流程如圖2所示。試樣陽極氧化的前處理—拋光工序?qū)ν繉拥墓鈱W(xué)性能影響較大，拋光可以進一步降低工件表面的粗糙度，從而降低涂層的太陽吸收比。對于縫隙波導(dǎo)類精密復(fù)雜零件的拋光，機械方式是不可行的，只有采用化學(xué)或電化學(xué)拋光?；瘜W(xué)拋光不會使零件產(chǎn)生倒角現(xiàn)象，但不能滿足光亮度的要求；而電化學(xué)拋光由于尖端放電效應(yīng)，時間稍長會使零件的銳角被倒鈍。要達到結(jié)構(gòu)精度與拋光效果的最佳結(jié)合點，就必須采取相關(guān)工藝措施，嚴(yán)格控制拋光溶液的濃度、拋光時間等工藝參數(shù)。試樣在陽極氧化過程中，通過對氧化電壓、溶液的濃度與溫度、氧化時間等工藝參數(shù)的精確監(jiān)控，有效控制了膜層以較低的速度生長，這樣所制備的膜層致密度高，涂層的光學(xué)性能優(yōu)異。

圖2 試樣涂層制備的工藝流程

2.2 試樣涂層的性能測試

2.2.1 涂層的膜厚

利用FISCHER MP30 電渦流測厚儀測量試樣光亮陽極氧化膜的厚度，得到的膜厚-時間關(guān)系如圖3所示。從圖3可知：隨氧化時間的增加，該材質(zhì)鋁合金在硫酸介質(zhì)中陽極氧化后的膜厚呈線性增加；在10 ～ 60 min的范圍內(nèi)，鋁合金熱控膜的厚度基本上是線形增加的，氧化60 min時涂層的厚度達到了4.0 μm；繼續(xù)延長時間，涂層的生長速率降低，氧化70 min后涂層的厚度為4.2 μm。說明試樣在上述試驗條件下延長氧化時間涂層的厚度幾乎不增加。

圖3 涂層膜厚隨時間變化曲線

2.2.2 涂層的熱輻射性能

利用CARY500分光光度計，測量試樣表面光亮陽極氧化熱控涂層在整個太陽輻射區(qū)間(250 ～ 2 500 nm波段)的反射光譜，通過積分計算直接得出涂層的太陽吸收比；采用AE輻射計測量光亮陽極氧化涂層的半球發(fā)射率。

試樣經(jīng)光亮陽極氧化后形成涂層的太陽吸收比和半球發(fā)射率的結(jié)果如圖4所示。從圖4可知：隨著氧化時間的延長，涂層的太陽吸收比從0.2逐漸提高到了0.3，而涂層的半球發(fā)射率從0.2提高到了0.72。形成的涂層αs/εH的比值介于0.42～1范圍內(nèi)，具有低吸輻比的熱控狀態(tài)，可以滿足整星熱設(shè)計的需求。從圖3可知，隨著氧化時間的延長，試樣表面氧化膜的厚度提高，這層膜對涂層的太陽吸收比數(shù)值影響不大，而對涂層的半球發(fā)射率數(shù)值影響較大。

圖4 涂層的熱控參數(shù)隨時間的變化

圖5顯示了氧化60 min形成的熱控涂層在太陽輻射區(qū)間的反射率曲線。從圖5可知：鋁合金表面的光亮陽極氧化涂層在紫外波段的發(fā)射率較低，但會隨波長的增加逐漸提高；在可見光區(qū)域涂層有一個約70%的比較穩(wěn)定的發(fā)射率；在紅外波段涂層的反射率大于80%。

圖5 涂層的反射率曲線

2.2.3 涂層的表面形貌

采用JSM-6700F場發(fā)射掃描電鏡觀察陽極氧化膜的微觀形貌，試樣氧化膜封閉前后的形貌如圖6所示。從圖6可知：在封閉前鋁合金表面形成的氧化膜是透明多孔的，具有規(guī)則的六邊形結(jié)構(gòu)，孔的尺寸在30～40 nm范圍內(nèi)，這些微孔將使光線通過涂層時發(fā)生散射而損失一些能量，從而使涂層的太陽吸收比加大；氧化膜經(jīng)熱水封閉以后，無機鹽均勻填充在各微孔內(nèi)而呈封閉狀態(tài)。試樣經(jīng)陽極氧化后的表面形貌類似于純鋁材料表面陽極氧化膜，沒有合金元素溶解形成的缺陷，這種結(jié)構(gòu)有利于提高陽極氧化膜的致密性。

圖6 光亮陽極氧化膜的表面形貌

2.2.4 涂層的耐濕熱性能

取5件試樣，利用濕熱老化箱研究涂層的耐濕熱性能。實驗條件為溫度50 ℃，相對濕度95%，經(jīng)過48 h的濕熱試驗后，未發(fā)現(xiàn)涂層起皮、鼓泡及脫落等缺陷，這說明該材質(zhì)鋁合金光亮陽極氧化熱控涂層致密，對鋁合金基材具有較好的防護效果。

2.2.5 涂層的冷熱交變

冷熱交變試驗是先將測試樣品浸泡在液氮中，然后迅速取出放入高溫烘箱內(nèi)，經(jīng)100次循環(huán)后，觀察涂層與基材的結(jié)合性能。取5件試樣進行熱循環(huán)試驗，在正常大氣壓下，涂層經(jīng)過溫度為-196 ℃(液氮、2 min)←→(+100 ± 5) ℃(10 min)的100次熱循環(huán)后，試樣涂層外觀完好，無起泡、起皮、脫落等現(xiàn)象。

利用膠帶提拉法考核試樣經(jīng)冷熱交變后的涂層與基體的粘結(jié)強度。實驗中采用3M膠帶粘貼在試樣表面(如圖7所示)，然后垂直向上將膠帶拉起。在此過程中涂層未發(fā)生脫落，這說明涂層與基材具有較好的結(jié)合強度。

圖7 3M膠帶粘結(jié)試驗

2.2.6 涂層耐真空-紫外輻照性能

采用真空-紫外輻照設(shè)備，研究鋁合金表面光亮陽極氧化熱控涂層的耐真空-紫外輻照性能，試驗過程的真空度為1.0 × 10-3Pa，使用3倍的加速劑量，累計輻照劑量為14 902 ESH(當(dāng)量太陽小時)。紫外輻射雖然在總電磁輻射能中所占比例很小， 但由于光子能量高， 會對航天器熱控涂層的熱輻射性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致熱控失效，縮短其在軌使用壽命。

在真空度≤1.0 × 10-3Pa、加速因子為3的紫外輻照劑量條件下，對試樣涂層進行真空-紫外輻照試驗。在輻照過程中，按不同輻照劑量將試樣取出，測量熱控涂層太陽吸收比的變化。試驗中真空紫外輻照累積劑量為14 902 ESH，表1列出了試樣經(jīng)紫外輻照試驗后涂層太陽吸收比的變化情況。

表1 真空-紫外輻照后涂層太陽吸收比的變化

注：輻照前即輻照劑量為0 ESH時，1#涂層和2#涂層的太陽吸收比分別為0.282和0.284。

從表1可知：經(jīng)過1 020 ESH輻照試驗后，試樣涂層的太陽吸收比有所提高，太陽吸收比的變化為0.007～0.008；經(jīng)歷4 224 ESH輻照后，涂層太陽吸收比的變化為0.013～0.014；而后增加紫外輻照劑量，涂層太陽吸收比的變化值幾乎不變。經(jīng)14 902 ESH輻照試驗后，樣品外觀完好，涂層太陽吸收比的平均變化量為0.016，說明該涂層具有很好的耐真空-紫外輻照性能，可長期在空間中穩(wěn)定工作。

2.2.7 涂層耐真空-電子/質(zhì)子輻照性能

采用綜合輻照的方法研究試樣涂層的耐真空-電子/質(zhì)子輻照性能，試驗中電子能量為50 keV，總通量為1.6 × 1016e/cm2，通量密度為3.0 × 1011e/(cm2·s)；質(zhì)子能量為50 keV，總通量為1.6 × 1014p/cm2，通量密度為3.0 × 109e/(cm2·s)。

試樣經(jīng)過累計通量1.6 × 1016e/cm2的電子輻照和3.0 × 1014p/cm2的質(zhì)子輻照后，涂層太陽吸收比和質(zhì)量的變化情況見表2。輻照后涂層太陽吸收比的平均變化為0.005，質(zhì)量損失為0。

表2 試樣涂層耐電子、質(zhì)子輻照性能

2.3 試樣涂層的討論

熱控涂層處于空間環(huán)境中，會受到空間溫度劇烈變化、真空-紫外輻照粒子、真空-電子/質(zhì)子輻照粒子的影響，其熱輻射性能會發(fā)生褪變。為驗證鋁合金光亮陽極氧化型熱控涂層在外空間的適應(yīng)能力，對試樣進行了各類空間環(huán)境模擬試驗。結(jié)果表明該涂層具有較好的空間穩(wěn)定性，滿足使用需求。

3 縫隙波導(dǎo)表面熱控涂層的制備

圖1所示的縫隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為避免在工件內(nèi)壁形成不導(dǎo)電的氧化膜，在進行陽極氧化前，需設(shè)計制作專門的保護工裝對內(nèi)腔進行密封防護。保護工裝采用高柔性、高彈性和耐腐蝕的非金屬材料，與波導(dǎo)各縫槽緊密配合(不得使工件變形)，以防止陽極氧化過程中溶液滲入波導(dǎo)內(nèi)腔導(dǎo)致工件燒傷和腐蝕等。縫隙波導(dǎo)采用圖2所示的工藝流程制備的光亮陽極氧化熱控涂層，同槽試樣檢測表明，其各項性能指標(biāo)均滿足使用要求。

4 結(jié)束語

本文在軟材質(zhì)鋁合金縫隙波導(dǎo)上制備了光亮陽極氧化型熱控涂層，其膜層厚度約為4.0 μm，太陽吸收比和半球發(fā)射率均滿足指標(biāo)要求。涂層表面致密，色澤均勻，膜層無疏松、氣泡、裂紋、起皮、脫落及腐蝕斑點等，且波導(dǎo)內(nèi)腔無陽極氧化膜、無燒蝕等缺陷。涂層具有優(yōu)異的耐濕熱、耐冷熱交變的能力，經(jīng)真空-紫外輻照、真空-電子/質(zhì)子輻照等模擬空間環(huán)境考核，其性能指標(biāo)基本無變化。制備該涂層的工藝成熟穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。制件合格率達100%，已在多個星載SAR型號天線縫隙波導(dǎo)中作為熱控涂層得到成功應(yīng)用。

[1] 范含林. 航天器熱控材料的應(yīng)用和發(fā)展[J]. 宇航材料工藝, 2007(6): 7-10.

[2] 閔佳榮, 江經(jīng)善. 衛(wèi)星熱控制技術(shù)[M]. 北京: 宇航出版社, 1991.

[3] 童靖宇，王吉輝， 李金洪. 溫控白漆原子氧、紫外綜合環(huán)境效應(yīng)退化影響初步研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2003, 20(4): 19-24.

李春林(1974-)，男，高級工程師，主要從事工藝總體研究與設(shè)計工作。

Preparation Process of Thermal Control Coating on Space-borne Slot Waveguide Antenna

LI Chun-lin1，XIN Shi-gang2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China；2.TheKeyLibraryofInorganicCoatings,ShanghaiInstituteofCeramic,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China)

The aluminum alloy bright anodic oxidation thermal control coating characterized by high productive efficiency, low cost, low weight and stable thermal control properties is becoming gradually the first choice of the thermal control coating for space-borne SAR antenna slot waveguide. The preparation process and test methods of the thermal control coating on aluminum alloy space-borne slot waveguide with complex structure by bright anodic oxidation in a sulphuric acid solution are introduced in this paper. The results show that the thermal control coating possesses a high stability in the space environment and its thermal control properties meet the thermal design requirement of the whole satellite.

aluminum alloy slot waveguide; anodic oxidation; thermal control coating; hemispherical emmitance; solar absorptance

2015-10-26

V443

A

1008-5300(2016)01-0040-04