RU2560396C1 - Thermoregulating coating based on "true absorber" inorganic class - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: thermoregulating coating of "true absorber" class is made of composition, including inorganic silicate binding agent and magnetite. Composition contains water lithium silicate solution with modulus 2.9-3.4 (1.0 wt.p.) as inorganic silicate binding agent, magnetite (2.9-4.0 wt.p.) and Co₃O₄ (2.9-4.0 wt.p.), BaAl₂O₄ (0.1-0.8 wt.p.) as pigments and filling agents and water - to required viscosity. Invention is aimed at elaboration of thermoregulating coating of "true absorber" class with improved thermal radiation coefficient ε=0.95, specific volumetric electric resistance ρ_v<10³ Ohm·m.

EFFECT: obtaining technological coating with high coefficient of sun radiation absorption, low gas release by GOST R 50109, resistant to CSF at long terms of active spacecraft existence.

1 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к покрытиям пассивной терморегуляции класса «истинный поглотитель» («ИП») с антистатическими свойствами, низким газовыделением, с повышенной стойкостью к воздействию факторов космического пространства (ФКП) (протонное, электронное излучение, ультрафиолетовое излучение, термоперепады в вакууме), наносимых на наружную поверхность космических аппаратов для поддержания определенного теплового режима.The invention relates to the field of space materials science, and in particular to coatings for passive thermoregulation of the “true absorber” class (“IP”) with antistatic properties, low gas emission, and high resistance to the effects of outer space factors (PCF) (proton, electron radiation, ultraviolet radiation, thermal drops in vacuum) applied to the outer surface of spacecraft to maintain a certain thermal regime.

Терморегулирующие покрытия (ТРП) в конструкциях космических аппаратов (КА) являются элементами внешних покрытий (ВП) и входят в систему пассивной терморегуляции. Назначение ВП КА - обеспечение расчетных величин внешних тепловых нагрузок от излучения Солнца и планет и сброс тепла в космическое пространство.Thermoregulatory coatings (TRP) in the construction of spacecraft (SC) are elements of external coatings (VP) and are included in the passive thermoregulation system. The purpose of the spacecraft spacecraft is to provide the calculated values of external thermal loads from the radiation of the sun and planets and to release heat into outer space.

Определяющими характеристиками ТРП являются коэффициент поглощения солнечного излучения α_s, для ТРП «ИП» α_s→1 и коэффициент теплового излучения (степень черноты) ε для ТРП «ИП» ε→1.The decisive characteristics of the TRP are the coefficient of absorption of solar radiation α _s , for the TRP "IP" α _s → 1 and the coefficient of thermal radiation (degree of blackness) ε for the TRP "IP" ε → 1.

К терморегулирующим материалам и покрытиям предъявляются повышенные требования радиационной стойкости, в части сохранения термооптических характеристик в период всего срока эксплуатации, и по величине газовыделения в связи с большой площадью, занимаемой этими материалами на поверхности КА.Increased requirements for radiation resistance are imposed on thermoregulating materials and coatings, in terms of preserving thermo-optical characteristics during the entire period of operation, and in terms of gas evolution due to the large area occupied by these materials on the spacecraft surface.

Длительная и безопасная работа КА в значительной степени определяется способностью ТРП сохранять или изменять в прогнозируемом пределе служебные характеристики в процессе эксплуатации, т.е. стойкость материалов к воздействию ФКП (протонное, электронное излучение, ультрафиолетовое излучение, термоперепады в вакууме).The long and safe operation of the spacecraft is largely determined by the ability of the TRP to maintain or change in the predicted limit the service characteristics during operation, i.e. resistance of materials to the effects of PCF (proton, electron radiation, ultraviolet radiation, thermal drops in vacuum).

Превышение требований ГОСТ Р 50109-92 по газовыделению приводит к оседанию легкоконденсируемых веществ (ЛКВ) на поверхностях оптических приборов, что отражается на работе аппаратуры, находящейся на борту КА. Низкое газовыделение (общая потеря массы ≤1,0%, ЛКТ≤0,1%) приведет к снижению загрязнения оптических поверхностей КА.Exceeding the requirements of GOST R 50109-92 for gas evolution leads to the deposition of easily condensable substances (LKV) on the surfaces of optical instruments, which affects the operation of the equipment on board the spacecraft. Low gas evolution (total mass loss ≤1.0%, LCT≤0.1%) will reduce the pollution of the optical surfaces of the spacecraft.

К покрытиям КА, находящихся на орбитах, проходящих через радиационные пояса Земли, предъявляется требование по удельному объемному электрическому сопротивлению (ρ_v≤10⁵ Ом·м). Адгезия покрытия к материалу подложки должна быть не ниже 2 баллов.The spacecraft coatings located in orbits passing through the Earth’s radiation belts are required to have a specific volume electric resistance (ρ _v ≤10 ⁵ Ohm · m). The adhesion of the coating to the substrate material must be at least 2 points.

В настоящее время усилия разработчиков в области космического материаловедения направлены на создание и разработку принципиально новых компонентов и ТРП на их основе, устойчивых к воздействию ФКП при длительных сроках активного существования КА (15 и более лет) как на низких до 400-600 км, так и для геостационарных и высокоэллиптических орбит.Currently, the efforts of developers in the field of space materials science are aimed at creating and developing fundamentally new components and TRP based on them that are resistant to PCF with long periods of active spacecraft existence (15 years or more) both at low to 400-600 km, and for geostationary and highly elliptical orbits.

Из патентной литературы известны терморегулирующие покрытия классов «солнечный отражатель» (см. RU 2248954 C2, C04B 41/87, B64G 1/58, см. RU 2421490 C1, C09D 1/02, C09D 5/24, C09D 5/33) и «истинный поглотитель» (см. RU 2216557, C1 C09D 1/02, C04B 28/26), в состав которых входит силикатное связующее в виде калий-кремнекислого водного раствора. Данные составы ТРП имеют высокую радиационную стойкость к ультрафиолетовому излучению, могут быть использованы в системах пассивного терморегулирования космических аппаратов.Thermostatic coatings of the “solar reflector” classes are known from the patent literature (see RU 2248954 C2, C04B 41/87, B64G 1/58, see RU 2421490 C1, C09D 1/02, C09D 5/24, C09D 5/33) and “True absorber” (see RU 2216557, C1 C09D 1/02, C04B 28/26), which include a silicate binder in the form of a potassium silicate aqueous solution. These TRP compositions have high radiation resistance to ultraviolet radiation and can be used in passive thermal control systems of spacecraft.

В патенте RU 2216557 C1, принятом за прототип, описан состав, состоящий из силикатного связующего в виде калий-кремнекислого раствора с модулем 3,5-4,0 в количестве 47-60 мас.ч. и магнетита в количестве 40-53 мас.ч. Данное терморегулирующее покрытие имеет высокое значение коэффициента поглощения солнечного излучения α_s=0,97-0,98. Недостатками данного терморегулирующего покрытия является невысокий для класса «истинный поглотитель» коэффициент теплового излучения ε=0,90 и отсутствие антистатических свойств.In the patent RU 2216557 C1, adopted for the prototype, a composition is described consisting of a silicate binder in the form of a potassium silicate solution with a module of 3.5-4.0 in an amount of 47-60 wt.h. and magnetite in an amount of 40-53 wt.h. This thermal control coating has a high value of the absorption coefficient of solar radiation α _s = 0.97-0.98. The disadvantages of this thermostatic coating is the low coefficient of thermal radiation ε = 0.90 for the “true absorber” class and the absence of antistatic properties.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка терморегулирующего покрытия класса «истинный поглотитель» с улучшенным коэффициентом теплового излучения ε=0,95 и удельным объемным электрическим сопротивлением p_v<10³ Ом·м.The task of the invention is to develop a thermal control coating of the class "true absorber" with an improved coefficient of thermal radiation ε = 0.95 and specific volumetric electrical resistance p _v <10 ³ Ohm · m

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение технологичного покрытия с коэффициентом поглощения солнечного излучения α_s≥0,98, низким газовыделением по ГОСТ Р 50109 (потеря массы не более 1,0%, летучие конденсирующиеся вещества не более 0,1%), устойчивого к воздействию ФКП при длительных сроках активного существования КА.The technical result of the invention is to obtain a technological coating with a solar absorption coefficient α _s ≥0.98, low gas emission according to GOST R 50109 (mass loss of not more than 1.0%, volatile condensing substances of not more than 0.1%), resistant to FKP with long periods of active existence of the spacecraft.

Поставленная задача достигается тем, что терморегулирующее покрытие класса «истинный поглотитель», включающее неорганическое силикатное связующее и магнетит, при этом в качестве неорганического силикатного связующего содержит водный раствор лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4 и дополнительно в качестве пигментов и наполнителей Co₃O₄, BaAl₂O₄ в следующих массовых соотношениях, мас.ч.:The task is achieved in that the thermal control coating of the class of "true absorber", including inorganic silicate binder and magnetite, while inorganic silicate binder contains an aqueous solution of lithium silicate with a module of 2.9-3.4 and additionally as pigments and fillers Co ₃ O ₄ , BaAl ₂ O ₄ in the following mass ratios, parts by weight:

неорганическое силикатное связующее -inorganic silicate binder -   литий кремнекислый с модулем 2,9-3,4lithium silica with a module of 2.9-3.4 1,0 1,0 магнетитmagnetite от 2,90 до 4,00 from 2.90 to 4.00 Co₃O₄ Co ₃ O ₄ от 2,00 до 3,50 from 2.00 to 3.50 BaAl₂O₄ BaAl ₂ O ₄ от 0,10 до 0,80 from 0.10 to 0.80 разбавитель - вода дистиллированнаяdiluent - distilled water до требуемой вязкостиto the required viscosity

Основным преимуществом применения жидких стекол в качестве пленкообразующего связующего для терморегулирующих покрытий является отсутствие проблем, связанных с дегазацией, т.к. они не содержат органических растворителей. Пленки водного раствора лития кремнекислого имеют газовыделение ПМ=0,15%, ЛКВ=0,02%, что отвечает требованиям ГОСТ Р 50109 (ПМ≤1,0%, ЛКВ≤0,1%), радиационную стойкость к воздействию протонного излучения при флюенсе протонов ≈10¹⁶ см^-2 Δα_s=0,08 и удельное объемное электрическое сопротивление ρ_v=6,79·10⁵ Ом·м.The main advantage of using liquid glasses as a film-forming binder for temperature-controlled coatings is the absence of problems associated with degassing, since They do not contain organic solvents. Films of an aqueous solution of lithium silicate have a gas evolution of PM = 0.15%, LKV = 0.02%, which meets the requirements of GOST R 50109 (PM≤1.0%, LKV≤0.1%), radiation resistance to proton radiation when proton fluence ≈10 ¹⁶ cm ^-2 Δα _s = 0.08 and specific volume electric resistance ρ _v = 6.79 · 10 ⁵ Ohm · m.

Для создания ТРП класса «истинный поглотитель» используются пигменты и наполнители черного цвета. Опробованные эмалевые композиции с разным наполнением и соотношением компонентов наносились на подложки из алюминиевого сплава АМгб методом пневматического распыления.To create a TRP of the “true absorber” class, black pigments and fillers are used. The tested enamel compositions with different fillings and component ratios were applied onto substrates of aluminum alloy AMgb by pneumatic spraying.

Пример 1Example 1

Изготовлена эмалевая композиция на основе водного раствора лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4-1,0 мас.ч., пигментов и наполнителей, мас.ч.:An enamel composition based on an aqueous solution of lithium silicate with a module of 2.9-3.4-1.0 parts by weight, pigments and fillers, parts by weight:

магнетитmagnetite 4,004.00 Co₃O₄ Co ₃ O ₄ 3,403.40 BaAl₂O₄ BaAl ₂ O ₄ 0,800.80 вода дистиллированнаяdistilled water 3,003.00

Получена пастообразная высоковязкая, более 100 с по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости») нетехнологичная композиция, выгрузка из диспергирующего оборудования затруднена.A paste-like, highly viscous, more than 100 s with a VZ-246 viscometer with a nozzle diameter of 4 mm (GOST 8420-74 “Varnish-and-paint materials. Method for determination of conditional viscosity”) was obtained.

Пример 2Example 2

Изготовлена эмалевая композиция на основе водного раствора лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4-1,0 мас.ч., пигментов и наполнителей, мас.ч.:An enamel composition based on an aqueous solution of lithium silicate with a module of 2.9-3.4-1.0 parts by weight, pigments and fillers, parts by weight:

магнетитmagnetite 3,40 3.40 Co₃O₄ Co ₃ O ₄ 2,80 2.80 BaAl₂O₄ BaAl ₂ O ₄ 0,50 0.50 вода дистиллированнаяdistilled water 5,00 5.00

Эмалевая композиция имеет оптимальную вязкость, от 20 до 45 с по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости») для изготовления на диспергирующем оборудовании.The enamel composition has an optimal viscosity of 20 to 45 seconds with a VZ-246 viscometer with a nozzle diameter of 4 mm (GOST 8420-74 “Paintwork materials. Determination of conditional viscosity”) for manufacture on dispersing equipment.

Покрытие на основе данной рецептуры имеет коэффициент поглощения солнечного излучения α_s=0,980, коэффициент теплового излучения ε=0,95, удельное объемное электрическое сопротивление ρ_v=5·10² Ом·м, адгезия равна 1 балл. Минимальная толщина покрытия составляет 145-155 мкм.The coating based on this formulation has a solar absorption coefficient α _s = 0.980, thermal radiation coefficient ε = 0.95, specific volumetric electrical resistance ρ _v = 5 · 10 ² Ohm · m, adhesion is 1 point. The minimum coating thickness is 145-155 microns.

Пример 3Example 3

Изготовлена эмалевая композиция на основе водного раствора лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4-1,0 мас.ч., пигментов и наполнителей, мас.ч.:An enamel composition based on an aqueous solution of lithium silicate with a module of 2.9-3.4-1.0 parts by weight, pigments and fillers, parts by weight:

магнетитmagnetite 2,90 2.90 Co₃O₄ Co ₃ O ₄ 2,00 2.00 BaAl₂O₄ BaAl ₂ O ₄ 0,10 0.10 вода дистиллированнаяdistilled water 5,50 5.50

Эмалевая композиция имеет вязкость менее 20 с по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости»). Снижение вязкости композиции вызывает невозможность диспергирования из-за большого содержания воды.The enamel composition has a viscosity of less than 20 s with a VZ-246 viscometer with a nozzle diameter of 4 mm (GOST 8420-74 “Paint and varnish materials. Method for determination of conditional viscosity”). The decrease in viscosity of the composition causes the inability to disperse due to the high water content.

Требуемая вязкость композиции зависит от способа нанесения терморегулирующего покрытия на окрашиваемую поверхность и регулируется количеством разбавителя (вода дистиллированная) в пределах 3,5-5 мас.ч.The required viscosity of the composition depends on the method of applying the temperature-controlled coating to the surface to be painted and is regulated by the amount of diluent (distilled water) in the range of 3.5-5 parts by weight.

Разработанное лакокрасочное ТРП обладает следующими характеристиками:The developed TRP paint and varnish possesses the following characteristics:

- жизнеспособность эмалевой композиции до нанесения составляет не менее 6 месяцев;- the viability of the enamel composition before application is at least 6 months;

- покрытие технологично, легко наносится и ремонтируется в случае повреждения;- the coating is technologically advanced, easy to apply and repair in case of damage;

- для нанесения покрытия используется унифицированное окрасочное оборудование;- unified painting equipment is used for coating;

- не требуется дегазация при отверждении покрытия;- no degassing is required when curing the coating;

- толщина покрытия составляет 145-155 мкм;- coating thickness is 145-155 microns;

- газовыделение покрытия составляет: реальная потеря массы равна 0,07%, содержание летучих конденсирующих веществ равно 0,02%, что соответствует требованиям ГОСТ Р 50109;- the gas evolution of the coating is: actual mass loss is 0.07%, the content of volatile condensing substances is 0.02%, which meets the requirements of GOST R 50109;

- после воздействия знакопеременных температур от минус 150°C до плюс 150°C изменение коэффициента поглощения солнечного излучения α_s составляет 0,002, коэффициент теплового излучения ε и удельное электрическое сопротивление ρ_v покрытия остаются без изменений, адгезия равна 2 балла, внешний вид покрытия остается без изменений (черное матовое покрытие, без включений и трещин);- after exposure to alternating temperatures from minus 150 ° C to plus 150 ° C, the change in the absorption coefficient of solar radiation α _s is 0.002, the thermal radiation coefficient ε and electrical resistivity ρ _{v of the} coating remain unchanged, adhesion is 2 points, the appearance of the coating remains unchanged changes (black matte finish, without inclusions and cracks);

- после комплексного воздействия факторов космического пространства, имитирующих эксплуатацию КА в течение 15 лет, коэффициент поглощения солнечного излучения α_s практически не изменяется и, начиная с флюенса протонов 10¹⁶ см^-2 до флюенса 10¹⁷ см^-2, остается постоянным и равным 0,98, коэффициент излучения ε практически не изменяется и остается в пределах 0,95; конечное значение удельного объемного сопротивления ρ_v не превышает значение 10³ Ом·м; внешний вид покрытия после испытаний остается без изменений (черное матовое покрытие, без включений и трещин).- after a complex effect of space factors simulating the spacecraft operation for 15 years, the absorption coefficient of solar radiation α _s practically does not change and, starting from the proton fluence of 10 ¹⁶ cm ^-2 to the fluence of 10 ¹⁷ cm ^-2 , remains constant and equal to 0, 98, the emissivity ε remains practically unchanged and remains in the range of 0.95; the final value of the specific volume resistance ρ _v does not exceed the value of 10 ³ Ohm · m; the appearance of the coating after testing remains unchanged (black matte finish, without inclusions and cracks).

Таким образом, предлагаемое терморегулирующее покрытие превосходит прототип по оптическим (коэффициент теплового излучения ε), электрофизическим (удельное электрическое сопротивление ρ_v), адгезионным свойствам и жизнестойкости эмалевой композиции перед нанесением, см. табл. 1.Thus, the proposed thermal control coating surpasses the prototype in optical (coefficient of thermal radiation ε), electrophysical (electrical resistivity ρ _v ), adhesive properties and viability of the enamel composition before application, see table. one.

Таблица 1Table 1 Параметры терморегулирующего покрытияThermostatic coating parameters Предлагаемый составSuggested composition Состав из патента RU 2216557 С1 (прототип)Composition from patent RU 2216557 C1 (prototype) Коэффициент поглощения солнечного излучения, α_s The absorption coefficient of solar radiation, α _s 0,980.98 0,97-0,980.97-0.98 Коэффициент теплового излучения, εCoefficient of thermal radiation, ε 0,950.95 0,900.90 Удельное объемное электрическое сопротивление, ρ_v, Ом·мVolume resistivity, ρ _v , Ohm · m ≤10³ ≤10 ³ -- Адгезия по ГОСТ 15140, метод 4, баллAdhesion according to GOST 15140, method 4, score 1one 22 Адгезия по ГОСТ 27890, МПаAdhesion according to GOST 27890, MPa 28-3528-35 -- Жизнестойкость эмалевой композиции перед нанесением, месThe viability of the enamel composition before application, month 66 -- Газовыделение по ГОСТ Р 50109,Gas evolution according to GOST R 50109,     ПМ, %PM,% 0,070,07 -- ЛКМ, %LMB,% 0,020.02 --

Claims (1)

Терморегулирующее покрытие класса «истинный поглотитель», включающее неорганическое силикатное связующее и магнетит, отличающееся тем, что в качестве неорганического силикатного связующего содержит водный раствор лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4 и дополнительно в качестве пигментов и наполнителей - Co₃O₄, BaAl₂O₄ при следующем массовом соотношении, мас.ч.:
неорганическое силикатное связующее -   литий кремнекислый с модулем 2,9-3,4 1,0 магнетит от 2,90 до 4,00 Co₃O₄ от 2,00 до 3,50 BaAl₂O₄ от 0,10 до 0,80 разбавитель - вода дистиллированная до требуемой вязкости The temperature-controlled coating of the “true absorber” class, comprising an inorganic silicate binder and magnetite, characterized in that it contains an aqueous solution of lithium silicate with a module of 2.9-3.4 as an inorganic silicate binder and, in addition, pigments and fillers - Co ₃ O ₄ , BaAl ₂ O ₄ in the following mass ratio, parts by weight:
inorganic silicate binder - lithium silica with a module of 2.9-3.4 1,0 magnetite from 2.90 to 4.00 Co ₃ O ₄ from 2.00 to 3.50 BaAl ₂ O ₄ from 0.10 to 0.80 diluent - distilled water to the required viscosity