專利名稱：低太陽吸收率氧化鋁－硅酸鉀熱控涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱控涂層的制備方法，該涂層用于近地軌道飛行器如衛(wèi)星、載人飛船、空間站和航天飛機(jī)等航天器以及各類空間探測(cè)器，特別是一種具有低太陽吸收率(αs)的Al2O3-硅酸鉀熱控涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，空間飛行器的溫度控制己成為了一種新的系統(tǒng)技術(shù)。空間飛行器(如衛(wèi)星、飛船)向陽面溫度高，背陽面溫度低，溫差數(shù)百度，其基材和設(shè)備往往無法承受如此惡劣的溫度環(huán)境變化。因此，為了保證空間飛行器的正常工作，就要對(duì)其熱控系統(tǒng)進(jìn)行周密的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)(Gilligan T E.Evaluation of space environment on materialsinternational conferece.Center national denudes spatial，Toulouse，1974570和AF.Whitaker，SA.Little，R J.Harwell，et all.OrbitalAtomic Oxygen Effect on Control and Optical MaterialsSTS-8 Results，AIAA 85-0415，14-17，1985)。熱控材料已有很多，其中，熱控涂層是航天器使用最多、效果最顯著的防護(hù)材料之一。從六十年代以來，國外專家經(jīng)過大量的試驗(yàn)，一致認(rèn)為以氧化鋅為顏料的有機(jī)熱控涂料最穩(wěn)定，已用于飛馬星座(pegasus)、聯(lián)合土星(Saturn)、探索者飛船(Exploer)及英俊號(hào)(Injun)人造衛(wèi)星上(Zerlaut，G.A.NASS-CR-70385(1965))。隨著探空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于熱控材料的要求愈來愈高，原來的氧化鋅-有機(jī)熱控涂料已很難完全滿足耐高溫、高穩(wěn)定性的要求，于是轉(zhuǎn)而研究無機(jī)粘結(jié)劑的熱控涂料。無機(jī)熱控涂層具有材料來源豐富，對(duì)環(huán)境污染小，耐老化等優(yōu)點(diǎn)，已引起國際上的廣泛重視。迪德里赫(J.H.Diedrich)等，發(fā)現(xiàn)以氧化鋅為顏料、以硅酸鉀為粘結(jié)劑的熱控涂料最為穩(wěn)定。但我們經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純以硅酸鹽為粘結(jié)的無機(jī)涂料存在著流平性不好，涂膜質(zhì)脆，多孔，對(duì)于基材體積變化的適應(yīng)性差等缺陷。這種涂料在空間環(huán)境中受原子氧和其它高能粒子沖擊和侵蝕后，涂層易脫落，加速表面材料的腐蝕和退化，起不到熱控效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種熱控涂層，克服以上所述的缺點(diǎn)，采用氧化鋁為顏料和硅酸鹽結(jié)合，使其具有低太陽吸收率，并可提高漆膜的致密性、柔軟性和流平性。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述的熱控涂層的制備方法。
本發(fā)明提供一種低太陽吸收率氧化鋁-硅酸鉀熱控涂層，包括苯丙烯酸乳液和漿料，其重量比為0.4-0.9∶1，其中的漿料以重量百分比計(jì)，含有如下成份硅酸鉀10-25 二乙醇胺0.2-0.4乳化劑0.1-0.4六偏磷酸鈉0.1-0.3分散劑0.2-0.6 消泡劑0.1-0.4輕質(zhì)碳酸鈣2-8重質(zhì)碳酸鈣5-12 滑石粉2-10云母2-10 氧化鋁20-50稀硫酸適量水為余量。
上述的稀硫酸用以調(diào)硅酸鉀、水和二乙醇胺的混合液的PH值為11-13。
上述的苯丙烯酸乳液和漿料，其重量比優(yōu)選為0.4-0.7∶1，其中的漿料以重量百分比計(jì)，優(yōu)選硅酸鉀20 二乙醇胺0.3 乳化劑0.2六偏磷酸鈉0.2分散劑0.3 消泡劑0.2輕質(zhì)碳酸鈣4 重質(zhì)碳酸鈣8 滑石粉4云母4氧化鋁45-50 稀硫酸適量水為余量。
上述的乳化劑為OP乳化劑(C34H62O14)，消泡劑為三正丁基磷酸脂，分散劑為烷芳基聚醚醇類的非離子表面活性劑。
上述的熱控材料的制備方法為按配方稱取硅酸鉀溶解于水，水多漿料稀，水少漿料干，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)配，通常硅酸鉀與水按0.35-0.55∶1重量比投入到攪拌罐中，再加入穩(wěn)定劑二乙醇胺攪拌均勻，將稀硫酸慢慢加入到攪拌罐中，并使pH控制在11-13的范圍內(nèi)，得到酸性改性水玻璃基料；將六偏磷酸鈉溶解后所得的水溶液投入到攪拌罐中，再投入OP乳化劑、消泡劑和分散劑；將填料輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣、滑石粉、云母粉和氧化鋁粉投入到罐中分散，通過球磨機(jī)研磨，制成漿料；最后按一定比例將苯丙烯酸乳液加入到漿料中，混合漿料要保持充分?jǐn)嚢锠顟B(tài)。
本發(fā)明的原理太空雖然無邊無際，但并非空洞無物，其中原子氧和紫外線，各種高能粒子等，都會(huì)對(duì)表面熱控涂層照成嚴(yán)重的損害(如原子氧的“漂白”作用或紫外輻射的“暗化”作用可通過影響材料的太陽吸收系數(shù)而改變材料的光學(xué)性質(zhì))。所以對(duì)在低地球軌道上運(yùn)行的飛行器，除了要考慮熱控效果外，原子氧防護(hù)也必須作為一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行考慮。
本發(fā)明通過調(diào)節(jié)物體表面的太陽吸收率(αs)和紅外輻射率(ε)來控制物體的熱平衡。其外表面的平均溫度決定于表面的αs/ε值。因此，正確選擇熱控涂層材料的αs/ε值，是保證航天器處于正常工作溫度范圍的關(guān)鍵。熱控涂層的αs/ε值越小則航天器的溫降程度越大。相反，αs/ε值越高則航天器升溫的程度越大。所以當(dāng)涂層獲得低αs值時(shí)，也就具備了低αs/ε值性能。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明提高了熱控涂層的致密性、柔軟性、流平性，具有無機(jī)涂料和有機(jī)涂料之長處。本發(fā)明采用氧化鋁為顏料，研制出了低太陽吸收率(αs)、可阻止原子氧侵蝕和防靜電的白色無機(jī)熱控涂層。大量的試驗(yàn)證明該熱控涂層的空間行為非常穩(wěn)定、抗原子氧侵蝕效果顯著、熱控效果好，起到了對(duì)空間材料的保護(hù)作用，并達(dá)到熱控要求，并且氧化鋁顏料抗紫外能力較氧化鋅強(qiáng)。


圖1為ZnO-硅酸鉀涂層的光譜反射圖；圖2為本發(fā)明Al2O3-硅酸鉀涂層的光譜反射圖；圖3為TiO2-硅酸鉀涂層的光譜反射圖；圖4為本發(fā)明Al2O3-硅酸鉀原子氧輻照前的涂層表面形貌圖；圖5為本發(fā)明Al2O3-硅酸鉀原子氧輻照后的涂層表面形貌圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1取硅酸鉀70g和水200g投入到攪拌罐中，開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌均勻再加入穩(wěn)定劑二乙醇胺1g攪拌均勻。將工業(yè)硫酸稀釋成為10％的稀硫酸，慢慢加入到攪拌罐中，并使pH控制在11-13的范圍內(nèi)，得到酸性改性水玻璃基料。將六偏磷酸鈉0.5g溶解成10％的水溶液投入到攪拌罐中，再投入OP乳化劑0.5g、消泡劑三正丁基磷酸脂0.5g(購自于德國Bayer公司，其產(chǎn)品型號(hào)為5500)和分散劑烷芳基聚醚醇1g(購自于聯(lián)合碳化公司Union carbide，即466型分散劑)攪拌均勻。將各種填料輕質(zhì)碳酸鈣10g、重質(zhì)碳酸鈣30g、滑石粉10g、云母粉10g和氧化鋁粉140g投入到罐中分散，通過球磨機(jī)研磨，制成漿料。使用時(shí)按1∶0.4比例(漿料苯丙乳液)加入苯丙烯酸乳液，混合漿料要保持充分?jǐn)嚢锠顟B(tài)。
實(shí)施例2取硅酸鉀86g和水200g投入到攪拌罐中，開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌均勻再加入穩(wěn)定劑二乙醇胺1.5g攪拌均勻。將工業(yè)硫酸稀釋成為10％的稀硫酸，慢慢加入到攪拌罐中，并使pH控制在11-13的范圍內(nèi)，得到酸性改性水玻璃基料。將六偏磷酸鈉1g溶解成10％的水溶液投入到攪拌罐中，再投入OP乳化劑1g、5500型-消泡劑三正丁基磷酸脂1g和466型-分散劑烷芳基聚醚醇2g攪拌均勻。將各種填料輕質(zhì)碳酸鈣20g、重質(zhì)碳酸鈣40g、滑石粉16g、云母粉16g和氧化鋁粉168g投入到罐中分散，通過球磨機(jī)研磨，制成漿料。使用時(shí)按1∶0.6比例(漿料苯丙乳液)加入苯丙烯酸乳液，混合漿料要保持充分?jǐn)嚢锠顟B(tài)。
實(shí)施例3取硅酸鉀105g和水200g投入到攪拌罐中，開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌均勻再加入穩(wěn)定劑二乙醇胺2g攪拌均勻。將工業(yè)硫酸稀釋成為10％的稀硫酸，慢慢加入到攪拌罐中，并使pH控制在11-13的范圍內(nèi)，得到酸性改性水玻璃基料。將六偏磷酸鈉1g溶解成10％的水溶液投入到攪拌罐中，再投入OP乳化劑2g、5500型-消泡劑三正丁基磷酸脂1g和466型-分散劑烷芳基聚醚醇2g攪拌均勻。將各種填料輕質(zhì)碳酸鈣40g、重質(zhì)碳酸鈣60g、滑石粉5g、云母粉5g和氧化鋁粉200投入到罐中分散，通過球磨機(jī)研磨，制成漿料。使用時(shí)按1∶0.9比例(漿料苯丙乳液)加入苯丙烯酸乳液，混合漿料要保持充分?jǐn)嚢锠顟B(tài)。
本發(fā)明所制備的熱控涂層在北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的地面模擬空間原子氧裝置中進(jìn)行測(cè)試，以檢驗(yàn)原子氧對(duì)熱控涂層的影響。原子氧的輻照參數(shù)為原子氧通量3.39×1015/cm2.s；真空度8×10-3Pa；輻照時(shí)間13h52min；原子氧能量5-10eV?；旧吓c低地球軌道環(huán)境原子氧參數(shù)相吻合。
1.涂料基本性能測(cè)試涂層附著力、沖擊強(qiáng)度和漆膜彈性試驗(yàn)按GB1720-89、GB/T1732-93和GB1731-79標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。
將試樣在漆膜彈性測(cè)試儀上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，支點(diǎn)的曲率半徑為1mm。樣品涂層面朝外能彎曲至基本對(duì)疊而涂層均無裂痕、無脫落。試驗(yàn)結(jié)果表明該熱控涂層與基材的附著力好(1級(jí))，耐沖擊性強(qiáng)(50kg/cm)，且柔軟性好。
2.涂層抗熱振性能及耐熱性能對(duì)該涂層進(jìn)行冷熱交變?cè)囼?yàn)。將涂層試片在液氮停留一分鐘后，放入120℃烘箱停留4分鐘，這樣反復(fù)20次，兩涂層均無剝落和開裂，表面狀態(tài)良好。兩種涂層經(jīng)熱振試驗(yàn)后，αs基本不變。
試驗(yàn)條件-196℃ +120℃涂層經(jīng)650℃(Al2O3)10h耐熱試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)明顯變化。
3.潮濕環(huán)境的影響涂層試樣在溫度為35±5℃，濕度為80％的恒溫箱內(nèi)存放二星期。試驗(yàn)后該涂層的αs基本不變，涂層保持原有光澤，表面沒有任何變化。
4.抗靜電能力在地球同步軌道上，衛(wèi)星表面因帶電粒子的撞擊而充電，若表面是電絕緣的，充電電位可達(dá)數(shù)千伏，到達(dá)一定電位后突然放電，會(huì)干擾衛(wèi)星上電子設(shè)備工作，引起衛(wèi)星故障，因此衛(wèi)星上的熱控涂層還要有抗靜電能力。通過試驗(yàn)測(cè)量，該涂層表面電阻為104-105Ω，小于防靜電涂料106Ω指標(biāo)要求。
比較例我們將制備的三種熱控涂層試樣(采用相同的配料比，即實(shí)施例1所給出的配料比，所用顏料不同ZnO、Al2O3、TiO2)，置于AO侵蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。輻照處理一定時(shí)間后，取樣立即稱重。對(duì)試樣進(jìn)行SEM和光學(xué)性能測(cè)試分析(結(jié)果見表1)。
對(duì)溫控涂層來說，選擇顏料的前提是白色，光在白色顏料中的反射可高達(dá)99％以上。白色顏料在可見區(qū)不吸收光線，但在紫外區(qū)卻有強(qiáng)烈的吸收，我們采用直觀方法對(duì)國產(chǎn)的部分白色顏料進(jìn)行紫外篩選。實(shí)驗(yàn)時(shí)將顏料粉末置于銅質(zhì)或鋁質(zhì)小盤中，用300W紫外燈輻照100小時(shí)，觀察其粉末的變色情況，結(jié)果如表2所示。其中TiO2，Al2O3最穩(wěn)定，ZnO次之。
表1 原子氧輻照前后涂層光學(xué)性能和重量的變化原子氧輻照前 原子氧輻照后試樣 ΔαsΔW/gαsW/g αsW/gAl2O3-硅酸鉀 0.2001 4.094480.1757 4.09248 -0.02440.00200TiO2-硅酸鉀 0.2273 3.808600.3263 3.805760.09900.00284ZnO-硅酸鉀 0.4456 3.831420.4637 3.809980.01810.02144表2顏料粉末抗紫外試驗(yàn)結(jié)果紫外輻照前后顏料名稱 純度 顏色變化 變化級(jí)別輻照前輻照后Al2O3分析純 白白 不變ZnO 分析純 白灰白小TiO2分析純 白白 不變對(duì)以同顏料制備的三種涂層，進(jìn)行光學(xué)試驗(yàn)，測(cè)出不同涂層的反射率，結(jié)果如圖1、2、3所示。Al2O3-K2SiO3涂層的反射率最高。Al2O3-K2SiO3涂層的αs值最低(見表1)，熱控效果最好。
三種涂層經(jīng)高能原子氧輻照后，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(見表1)，Al2O3-K2SiO3涂層在空間環(huán)境中也是最穩(wěn)定的。它的Δαs最小，重量損失(ΔW)也最小。而且與前兩種涂層表現(xiàn)出不同的光學(xué)規(guī)律，經(jīng)高能原子氧輻照后，它的αs沒有增加反而降低(Δαs為-0.0244)，可見Al2O3-K2SiO3涂層經(jīng)原子氧輻照后，提高了熱控效果。
原子氧輻照前后的涂層表面形貌(SEM)見圖4、5。從電鏡中看出，Al2O3顏料顆粒均勻地分布在粘結(jié)劑中，經(jīng)AO輻照后涂層的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，涂層表面顏料顆粒變細(xì)，間隙變小，結(jié)構(gòu)緊密。表明該涂層能有效地阻止AO進(jìn)攻，抗原子氧能力較強(qiáng)。
大量通過的試驗(yàn)證明，Al2O3-K2SiO3涂層空間行為最穩(wěn)定，抗原子氧侵蝕效果最顯著，αs最低，熱控效果最好。
權(quán)利要求
1.一種低太陽吸收率氧化鋁-硅酸鉀熱控涂層，其特征在于該涂層包括苯丙烯酸乳液和漿料，其重量比為0.4-0.9∶1，其中的漿料以重量百分比計(jì)，含有如下成份硅酸鉀10-25 二乙醇胺0.2-0.4乳化劑0.1-0.4六偏磷酸鈉0.1-0.3分散劑0.2-0.6 消泡劑0.1-0.4輕質(zhì)碳酸鈣2-8重質(zhì)碳酸鈣5-12 滑石粉2-10云母2-10 氧化鋁20-50稀硫酸適量水為余量。
2.如權(quán)利要求1所述的氧化鋁-硅酸鉀熱控涂層，其特征在于上述的苯丙烯酸乳液和漿料，其重量比為0.4-0.7∶1，其中的漿料以重量百分比計(jì)為硅酸鉀20 二乙醇胺0.3乳化劑0.2六偏磷酸鈉0.2分散劑0.3 消泡劑0.2輕質(zhì)碳酸鈣4 重質(zhì)碳酸鈣8滑石粉4云母4氧化鋁45-50稀硫酸適量水為余量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氧化鋁-硅酸鉀熱控涂層，其特征在于其中的消泡劑為三正丁基磷酸脂，分散劑為烷芳基聚醚醇類非離子表面活性劑，乳化劑為OP乳化劑C34H62O14。
4.權(quán)利要求1所述的氧化鋁-硅酸鉀熱控涂層的制備方法，其特征在于(1)按配方稱取硅酸鉀和水，投入到攪拌罐中，再加入穩(wěn)定劑二乙醇胺攪拌均勻，將稀硫酸慢慢加入到攪拌罐中，并使pH控制在11-13的范圍內(nèi)，得到酸性改性水玻璃基料；(2)將六偏磷酸鈉溶解后所得的水溶液投入到攪拌罐中，再投入OP乳化劑、消泡劑和分散劑；(3)將填料輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣、滑石粉、云母粉和氧化鋁粉投入到罐中分散，通過球磨機(jī)研磨，制成漿料；(4)按一定比例將苯丙烯酸乳液加入到漿料中，混合漿料要保持充分?jǐn)嚢锠顟B(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低太陽吸收率氧化鋁－硅酸鉀熱控涂層及其制備方法，該涂層由硅酸鉀、二乙醇胺、乳化劑、六偏磷酸鈉、分散劑、消泡劑、輕、重質(zhì)碳酸鈣、滑石粉、云母粉、氧化鋁粉和水組成漿料，與苯丙烯酸乳液按1∶0.4－0.9的重量混合。本發(fā)明的涂層空間行為穩(wěn)定、抗原子氧侵蝕效果顯著，熱吸收率低，熱控效果好，適用于近地軌道飛行器如衛(wèi)星、載人飛船、空間站和航天飛機(jī)等航天器以及各類空間探測(cè)器。
文檔編號(hào)C09D125/00GK1480494SQ0213286
公開日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2002年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月4日
發(fā)明者張蕾, 嚴(yán)川偉, 張 蕾 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所