CN106675391B - 防辐射热控涂层及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防辐射热控涂层，该涂层利用低原子序数材料作为热控涂层的表面涂层，中原子序数材料作为热控涂层的中间涂层，高原子序数材料作为热控涂层的底层涂层。本发明的涂层，在同等面密度下，与ZnO涂层相比，辐射防护能力提升10％以上，且涂层太阳吸收比αs约为0.152，热发射率ε约为0.886，与ZnO白漆相当。
Description
技术领域
本发明属于航天器空间环境工程与热控技术领域，具体而言，本发明涉及一种防辐射热控涂层及其制造方法。
背景技术
空间辐射环境所产生的电离总剂量效应是星上单机和器件损毁的主要原因。空间电离辐射总剂量主要来源于辐射带电子辐射、太阳高能质子辐射以及电子辐射过程中产生的韧致辐射。
理论上，任何材料都具有辐射防护的功能，只要材料厚度足够，都可以将辐射完全屏蔽。但是对于卫星，这种无限增加后的防护方法是不可行的。如果可以利用星上现有材料，将其进行改进，提高其对空间辐射环境的防护能力，则可以在不增加重量的前提下，提升对星内单机、器件的防护效能，从而卫星在轨运行的可靠性。
辐射防护研究已经表明，材料对辐射防护的防护能力与材料中原子密切相关。原子序数高的原子对电子以及x射线防护性能高，但是，在电子入射过程中产生的韧致辐射量也大；反之，低原子序数的原子，虽然对电子和x射线防护性能较差，但是在电子入射过程中产生的韧致辐射量小。
图1给出了地球同步轨道下，辐射剂量随辐射屏蔽板(Al)厚度变化的曲线。从中可以看出，在约10mm等效铝厚度屏蔽后，卫星内部主要辐射环境已经是韧致辐射。而卫星的结构、表面功能材料等，其厚度一般要超过10mm，会对空间辐射环境产生屏蔽作用。由此可以看出，空间辐射粒子在入射到卫星上后，产生的韧致辐射是星内单机、元器件发生辐射损伤的主要原因。对韧致辐射的防护是对星内单机、器件防护的重点。
因此，对星内的辐射防护有两个途径，一是对星内韧致辐射的防护，另一个是在源头上减少韧致辐射的产生量。
通常，白漆是卫星常用的一种热控涂层，其特点是太阳吸收比低，热发射率高。卫星用白漆多以ZnO为颜料，如S781白漆等。热控涂层由于在卫星表面，对空间粒子辐射起到了重要的屏蔽作用。由于ZnO中的Zn原子，虽然会对电子质子起到很好的阻碍作用，但是由于其原子序数大，因此，不可避免产生大量韧致辐射。
为此，有必要寻求一种热控涂层，来解决空间辐射环境中的多种辐射。
发明内容
基于此，本发明基于复合屏蔽防护原理，提出了一种纵向原子序数梯度分布的热控涂层结构，最表层利用低原子序数材料，以尽量减少韧致辐射，中层采用原子序数较大材料，对电子和韧致辐射射线进行屏蔽，最里层采用高原子序数材料，加强对韧致辐射射线的吸收。本发明的热控涂层，可以在满足现有白漆类热控涂层热控性能要求之外，提升涂层对空间辐射环境防护的性能。
本发明采用了如下的技术方案：
一种防辐射热控涂层，其中，利用低原子序数材料作为热控涂层的表面涂层，中原子序数材料作为热控涂层的中间涂层，高原子序数材料作为热控涂层的底层涂层。
其中，底层涂层为Zr、Ba、Bi(其他相近原子序数或者原子序数高的金属亦可)的金属氧化物涂层；中间涂层为ZnO涂层；表面涂层为BN涂层，Al2O3涂层亦可。
其中，底层涂层的厚度为0.01mm至0.5mm；中间涂层的厚度为0.01mm至0.5mm；表面涂层的厚度为0.01mm至0.5mm。
其中，Zr、Ba、Bi的金属氧化物为ZrO2,BaO或Bi2O3。
一种上述防辐射热控涂层的制造方法，包括如下步骤：
1将氧化锆或者氧化钡颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:4至2:1混合均匀后，喷涂在基底上，喷涂厚度0.01mm至0.5mm，固化12-16小时形成底层涂层；
2将氧化锌颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:4至2:1混合均匀后，喷涂在底层涂层上，喷涂厚度0.01mm至0.5mm，固化12-16小时形成中间涂层；
3将氮化硼颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:4至2:1混合均匀后，喷涂在中间涂层上，喷涂厚度0.05mm至0.5mm，固化24小时以上，完成涂层。
其中，基底为需要涂覆低太阳吸收比高热发射率白色涂层的样件。
一种用于空间辐射环境中的结构件，其表层覆盖有上述防辐射热控涂层。
本发明在ZnO类白色热控涂层基础之上进行改进，将单一的ZnO涂层做分层设计，表层采用BN白色涂层，中间层保持不变仍为ZnO涂层，底层采用Zr、Ba、Bi等金属氧化物涂层。表层利用BN涂层，可以减少带电粒子在被吸收过程中产生的韧致辐射量，中间层和底层采用高原子序数材料可以增加对韧致辐射的吸收。同等面密度下，与纯ZnO涂层相比，辐射防护能力提升10％以上。且涂层太阳吸收比αs约为0.152，热发射率ε约为0.886，与ZnO白漆相当。
附图说明
图1给出了地球同步轨道下，辐射剂量随辐射屏蔽板(Al)厚度变化的曲线。
图2为本发明的防辐射热控涂层的结构示意图。
图中：1-基底，2-底层涂层，3-中间层，4-表面涂层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的防辐射热控涂层的结构作进一步的说明。
参见图2，图2为本发明的防辐射热控涂层的结构示意图，该热控涂层包括基底以及依次喷涂设置在基底1上的底层涂层2，中间涂层3及表面涂层4，该涂层利用了低原子序数材料的表面涂层，中原子序数材料的中间涂层，高原子序数材料的底层涂层。
实施例1
ZrO2底层，ZnO中间层，BN表面涂层
将氧化锆颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:2混合均匀后，喷涂在Al2O3基底上，喷涂厚度0.1mm，固化12小时；然后将氧化锌颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:2混合均匀后，喷涂在基底上，喷涂厚度0.1mm，固化16小时；最后将氮化硼颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:2均匀后，喷涂在基底上，喷涂厚度0.1mm，固化24小时后，完成涂层。
经过测量，测得太阳吸收比αs约为0.152，热发射率ε约为0.886，与ZnO白漆相当，与S781白漆相当。利用Casino电子入射模拟仿真软件计算，在同等面密度下，该方法可以提高辐射防护能力10％以上。
实施例2 BaO底层，ZnO中间层，BN表面涂层
将氧化钡颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:4混合均匀后，喷涂在SiO2基底上，喷涂厚度0.3mm，固化16小时；然后将氧化锌颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:4混合均匀后，喷涂在基底上，喷涂厚度0.3mm，固化20小时；最后将氮化硼颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:4均匀后，喷涂在基底上，喷涂厚度0.05mm，固化24小时后，完成涂层。
经过测量，测得太阳吸收比αs约为0.150，热发射率ε约为0.891，与ZnO白漆相当，与S781白漆相当。利用Casino电子入射模拟仿真软件计算，在同等面密度下，该方法可以提高辐射防护能力8％以上。
实施例3 Bi2O3底层，TiO2中间层，BN表面涂层
将氧化铋颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比2:1混合均匀后，喷涂在SiO2基底上，喷涂厚度0.5mm，固化16小时；然后将氧化钛颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:2混合均匀后，喷涂在基底上，喷涂厚度0.5mm，固化20小时；最后将氮化硼颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:2均匀后，喷涂在基底上，喷涂厚度0.3mm，固化24小时后，完成涂层。
经过测量，测得太阳吸收比αs约为0.155，热发射率ε约为0.881，与ZnO白漆相当，与S781白漆相当。利用Casino电子入射模拟仿真软件计算，在同等面密度下，该方法可以提高辐射防护能力14％以上。
本发明提出纵向子序数梯度分布的热控涂层结构，表层采用低原子序数的材料，以尽量减少韧致辐射的产生，中间层和底层逐渐采用高原子序数的材料，以尽量吸收入射电子和韧致辐射射线。从而减少卫星内部单机、器件上接收到的辐射剂量。
在涂覆上述涂层后的空间环境下使用的结构件，在空间中大部分辐射粒子会被卫星表面功能材料、结构等吸收，因而不会影响星内单机、器件，而粒子在被吸收过程中产生的韧致辐射则会穿过卫星功能材料、结构等，对星内单机、器件产生总剂量效应。
尽管上文对本专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，如两层涂层或者三层以上涂层设计，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。
Claims (6)
1.防辐射热控涂层，其中，利用低原子序数材料作为热控涂层的表面涂层，中原子序数材料作为热控涂层的中间涂层，高原子序数材料作为热控涂层的底层涂层，其中，底层涂层为Zr、Ba、Bi的金属氧化物涂层；中间涂层为ZnO涂层；表面涂层为BN涂层或Al2O3涂层。
2.如权利要求1所述的防辐射热控涂层，其中，底层涂层的厚度为0.01mm至0.5mm；中间涂层的厚度为0.01mm至0.5mm；表面涂层的厚度为0.01mm至0.5mm。
3.如权利要求1-2任意一项所述的防辐射热控涂层，其中，Zr、Ba、Bi的金属氧化物为ZrO2,BaO或Bi2O3。
4.权利要求1-3任一项所述防辐射热控涂层的制造方法，包括如下步骤：
1)将氧化锆或者氧化钡颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:4至2:1混合均匀后，喷涂在基底上，喷涂厚度0.05mm至0.5mm，固化12-16小时形成底层涂层；
2)将氧化锌颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:4至2:1混合均匀后，喷涂在底层涂层上，喷涂厚度0.05mm至0.5mm，固化12-16小时形成中间涂层；
3)将氮化硼颗粒与硅树脂粘合剂按照重量比1:4至2:1混合均匀后，喷涂在中间涂层上，喷涂厚度0.05mm至0.5mm，固化24小时以上，完成涂层。
5.如权利要求4所述的制造方法，其中，基底为需要涂覆低太阳吸收比高热发射率白色涂层的样件。
6.用于空间辐射环境中的结构件，其表层覆盖有权利要求1-3任一项所述的防辐射热控涂层。
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