专利名称：低太阳吸收率氧化铝－硅酸钾热控涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热控涂层的制备方法，该涂层用于近地轨道飞行器如卫星、载人飞船、空间站和航天飞机等航天器以及各类空间探测器，特别是一种具有低太阳吸收率(αs)的Al2O3-硅酸钾热控涂层的制备方法。
背景技术：
随着航天事业的不断发展，空间飞行器的温度控制己成为了一种新的系统技术。空间飞行器(如卫星、飞船)向阳面温度高，背阳面温度低，温差数百度，其基材和设备往往无法承受如此恶劣的温度环境变化。因此，为了保证空间飞行器的正常工作，就要对其热控系统进行周密的设计和实验(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)。热控材料已有很多，其中，热控涂层是航天器使用最多、效果最显著的防护材料之一。从六十年代以来，国外专家经过大量的试验，一致认为以氧化锌为颜料的有机热控涂料最稳定，已用于飞马星座(pegasus)、联合土星(Saturn)、探索者飞船(Exploer)及英俊号(Injun)人造卫星上(Zerlaut，G.A.NASS-CR-70385(1965))。随着探空科学技术的发展，对于热控材料的要求愈来愈高，原来的氧化锌-有机热控涂料已很难完全满足耐高温、高稳定性的要求，于是转而研究无机粘结剂的热控涂料。无机热控涂层具有材料来源丰富，对环境污染小，耐老化等优点，已引起国际上的广泛重视。迪德里赫(J.H.Diedrich)等，发现以氧化锌为颜料、以硅酸钾为粘结剂的热控涂料最为稳定。但我们经过大量的实验发现，单纯以硅酸盐为粘结的无机涂料存在着流平性不好，涂膜质脆，多孔，对于基材体积变化的适应性差等缺陷。这种涂料在空间环境中受原子氧和其它高能粒子冲击和侵蚀后，涂层易脱落，加速表面材料的腐蚀和退化，起不到热控效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热控涂层，克服以上所述的缺点，采用氧化铝为颜料和硅酸盐结合，使其具有低太阳吸收率，并可提高漆膜的致密性、柔软性和流平性。
本发明的另一目的在于提供上述的热控涂层的制备方法。
本发明提供一种低太阳吸收率氧化铝-硅酸钾热控涂层，包括苯丙烯酸乳液和浆料，其重量比为0.4-0.9∶1，其中的浆料以重量百分比计，含有如下成份硅酸钾10-25 二乙醇胺0.2-0.4乳化剂0.1-0.4六偏磷酸钠0.1-0.3分散剂0.2-0.6 消泡剂0.1-0.4轻质碳酸钙2-8重质碳酸钙5-12 滑石粉2-10云母2-10 氧化铝20-50稀硫酸适量水为余量。
上述的稀硫酸用以调硅酸钾、水和二乙醇胺的混合液的PH值为11-13。
上述的苯丙烯酸乳液和浆料，其重量比优选为0.4-0.7∶1，其中的浆料以重量百分比计，优选硅酸钾20 二乙醇胺0.3 乳化剂0.2六偏磷酸钠0.2分散剂0.3 消泡剂0.2轻质碳酸钙4 重质碳酸钙8 滑石粉4云母4氧化铝45-50 稀硫酸适量水为余量。
上述的乳化剂为OP乳化剂(C34H62O14)，消泡剂为三正丁基磷酸脂，分散剂为烷芳基聚醚醇类的非离子表面活性剂。
上述的热控材料的制备方法为按配方称取硅酸钾溶解于水，水多浆料稀，水少浆料干，可根据需要进行调配，通常硅酸钾与水按0.35-0.55∶1重量比投入到搅拌罐中，再加入稳定剂二乙醇胺搅拌均匀，将稀硫酸慢慢加入到搅拌罐中，并使pH控制在11-13的范围内，得到酸性改性水玻璃基料；将六偏磷酸钠溶解后所得的水溶液投入到搅拌罐中，再投入OP乳化剂、消泡剂和分散剂；将填料轻质碳酸钙、重质碳酸钙、滑石粉、云母粉和氧化铝粉投入到罐中分散，通过球磨机研磨，制成浆料；最后按一定比例将苯丙烯酸乳液加入到浆料中，混合浆料要保持充分搅拌状态。
本发明的原理太空虽然无边无际，但并非空洞无物，其中原子氧和紫外线，各种高能粒子等，都会对表面热控涂层照成严重的损害(如原子氧的“漂白”作用或紫外辐射的“暗化”作用可通过影响材料的太阳吸收系数而改变材料的光学性质)。所以对在低地球轨道上运行的飞行器，除了要考虑热控效果外，原子氧防护也必须作为一项关键的设计指标进行考虑。
本发明通过调节物体表面的太阳吸收率(αs)和红外辐射率(ε)来控制物体的热平衡。其外表面的平均温度决定于表面的αs/ε值。因此，正确选择热控涂层材料的αs/ε值，是保证航天器处于正常工作温度范围的关键。热控涂层的αs/ε值越小则航天器的温降程度越大。相反，αs/ε值越高则航天器升温的程度越大。所以当涂层获得低αs值时，也就具备了低αs/ε值性能。
本发明的优点及效果本发明提高了热控涂层的致密性、柔软性、流平性，具有无机涂料和有机涂料之长处。本发明采用氧化铝为颜料，研制出了低太阳吸收率(αs)、可阻止原子氧侵蚀和防静电的白色无机热控涂层。大量的试验证明该热控涂层的空间行为非常稳定、抗原子氧侵蚀效果显著、热控效果好，起到了对空间材料的保护作用，并达到热控要求，并且氧化铝颜料抗紫外能力较氧化锌强。
图1为ZnO-硅酸钾涂层的光谱反射图；图2为本发明Al2O3-硅酸钾涂层的光谱反射图；图3为TiO2-硅酸钾涂层的光谱反射图；图4为本发明Al2O3-硅酸钾原子氧辐照前的涂层表面形貌图；图5为本发明Al2O3-硅酸钾原子氧辐照后的涂层表面形貌图。
具体实施例方式
实施例1取硅酸钾70g和水200g投入到搅拌罐中，开动搅拌机搅拌均匀再加入稳定剂二乙醇胺1g搅拌均匀。将工业硫酸稀释成为10％的稀硫酸，慢慢加入到搅拌罐中，并使pH控制在11-13的范围内，得到酸性改性水玻璃基料。将六偏磷酸钠0.5g溶解成10％的水溶液投入到搅拌罐中，再投入OP乳化剂0.5g、消泡剂三正丁基磷酸脂0.5g(购自于德国Bayer公司，其产品型号为5500)和分散剂烷芳基聚醚醇1g(购自于联合碳化公司Union carbide，即466型分散剂)搅拌均匀。将各种填料轻质碳酸钙10g、重质碳酸钙30g、滑石粉10g、云母粉10g和氧化铝粉140g投入到罐中分散，通过球磨机研磨，制成浆料。使用时按1∶0.4比例(浆料苯丙乳液)加入苯丙烯酸乳液，混合浆料要保持充分搅拌状态。
实施例2取硅酸钾86g和水200g投入到搅拌罐中，开动搅拌机搅拌均匀再加入稳定剂二乙醇胺1.5g搅拌均匀。将工业硫酸稀释成为10％的稀硫酸，慢慢加入到搅拌罐中，并使pH控制在11-13的范围内，得到酸性改性水玻璃基料。将六偏磷酸钠1g溶解成10％的水溶液投入到搅拌罐中，再投入OP乳化剂1g、5500型-消泡剂三正丁基磷酸脂1g和466型-分散剂烷芳基聚醚醇2g搅拌均匀。将各种填料轻质碳酸钙20g、重质碳酸钙40g、滑石粉16g、云母粉16g和氧化铝粉168g投入到罐中分散，通过球磨机研磨，制成浆料。使用时按1∶0.6比例(浆料苯丙乳液)加入苯丙烯酸乳液，混合浆料要保持充分搅拌状态。
实施例3取硅酸钾105g和水200g投入到搅拌罐中，开动搅拌机搅拌均匀再加入稳定剂二乙醇胺2g搅拌均匀。将工业硫酸稀释成为10％的稀硫酸，慢慢加入到搅拌罐中，并使pH控制在11-13的范围内，得到酸性改性水玻璃基料。将六偏磷酸钠1g溶解成10％的水溶液投入到搅拌罐中，再投入OP乳化剂2g、5500型-消泡剂三正丁基磷酸脂1g和466型-分散剂烷芳基聚醚醇2g搅拌均匀。将各种填料轻质碳酸钙40g、重质碳酸钙60g、滑石粉5g、云母粉5g和氧化铝粉200投入到罐中分散，通过球磨机研磨，制成浆料。使用时按1∶0.9比例(浆料苯丙乳液)加入苯丙烯酸乳液，混合浆料要保持充分搅拌状态。
本发明所制备的热控涂层在北京卫星环境工程研究所的地面模拟空间原子氧装置中进行测试，以检验原子氧对热控涂层的影响。原子氧的辐照参数为原子氧通量3.39×1015/cm2.s；真空度8×10-3Pa；辐照时间13h52min；原子氧能量5-10eV。基本上与低地球轨道环境原子氧参数相吻合。
1.涂料基本性能测试涂层附着力、冲击强度和漆膜弹性试验按GB1720-89、GB/T1732-93和GB1731-79标准测试。
将试样在漆膜弹性测试仪上进行弯曲试验，支点的曲率半径为1mm。样品涂层面朝外能弯曲至基本对叠而涂层均无裂痕、无脱落。试验结果表明该热控涂层与基材的附着力好(1级)，耐冲击性强(50kg/cm)，且柔软性好。
2.涂层抗热振性能及耐热性能对该涂层进行冷热交变试验。将涂层试片在液氮停留一分钟后，放入120℃烘箱停留4分钟，这样反复20次，两涂层均无剥落和开裂，表面状态良好。两种涂层经热振试验后，αs基本不变。
试验条件-196℃ +120℃涂层经650℃(Al2O3)10h耐热试验后，未发现明显变化。
3.潮湿环境的影响涂层试样在温度为35±5℃，湿度为80％的恒温箱内存放二星期。试验后该涂层的αs基本不变，涂层保持原有光泽，表面没有任何变化。
4.抗静电能力在地球同步轨道上，卫星表面因带电粒子的撞击而充电，若表面是电绝缘的，充电电位可达数千伏，到达一定电位后突然放电，会干扰卫星上电子设备工作，引起卫星故障，因此卫星上的热控涂层还要有抗静电能力。通过试验测量，该涂层表面电阻为104-105Ω，小于防静电涂料106Ω指标要求。
比较例我们将制备的三种热控涂层试样(采用相同的配料比，即实施例1所给出的配料比，所用颜料不同ZnO、Al2O3、TiO2)，置于AO侵蚀模拟实验装置中进行辐照实验。辐照处理一定时间后，取样立即称重。对试样进行SEM和光学性能测试分析(结果见表1)。
对温控涂层来说，选择颜料的前提是白色，光在白色颜料中的反射可高达99％以上。白色颜料在可见区不吸收光线，但在紫外区却有强烈的吸收，我们采用直观方法对国产的部分白色颜料进行紫外筛选。实验时将颜料粉末置于铜质或铝质小盘中，用300W紫外灯辐照100小时，观察其粉末的变色情况，结果如表2所示。其中TiO2，Al2O3最稳定，ZnO次之。
表1 原子氧辐照前后涂层光学性能和重量的变化原子氧辐照前 原子氧辐照后试样 ΔαsΔW/gαsW/g αsW/gAl2O3-硅酸钾 0.2001 4.094480.1757 4.09248 -0.02440.00200TiO2-硅酸钾 0.2273 3.808600.3263 3.805760.09900.00284ZnO-硅酸钾 0.4456 3.831420.4637 3.809980.01810.02144表2颜料粉末抗紫外试验结果紫外辐照前后颜料名称 纯度 颜色变化 变化级别辐照前辐照后Al2O3分析纯 白白 不变ZnO 分析纯 白灰白小TiO2分析纯 白白 不变对以同颜料制备的三种涂层，进行光学试验，测出不同涂层的反射率，结果如图1、2、3所示。Al2O3-K2SiO3涂层的反射率最高。Al2O3-K2SiO3涂层的αs值最低(见表1)，热控效果最好。
三种涂层经高能原子氧辐照后，试验发现(见表1)，Al2O3-K2SiO3涂层在空间环境中也是最稳定的。它的Δαs最小，重量损失(ΔW)也最小。而且与前两种涂层表现出不同的光学规律，经高能原子氧辐照后，它的αs没有增加反而降低(Δαs为-0.0244)，可见Al2O3-K2SiO3涂层经原子氧辐照后，提高了热控效果。
原子氧辐照前后的涂层表面形貌(SEM)见图4、5。从电镜中看出，Al2O3颜料颗粒均匀地分布在粘结剂中，经AO辐照后涂层的微观结构发生变化，涂层表面颜料颗粒变细，间隙变小，结构紧密。表明该涂层能有效地阻止AO进攻，抗原子氧能力较强。
大量通过的试验证明，Al2O3-K2SiO3涂层空间行为最稳定，抗原子氧侵蚀效果最显著，αs最低，热控效果最好。
权利要求
1.一种低太阳吸收率氧化铝-硅酸钾热控涂层，其特征在于该涂层包括苯丙烯酸乳液和浆料，其重量比为0.4-0.9∶1，其中的浆料以重量百分比计，含有如下成份硅酸钾10-25 二乙醇胺0.2-0.4乳化剂0.1-0.4六偏磷酸钠0.1-0.3分散剂0.2-0.6 消泡剂0.1-0.4轻质碳酸钙2-8重质碳酸钙5-12 滑石粉2-10云母2-10 氧化铝20-50稀硫酸适量水为余量。
2.如权利要求1所述的氧化铝-硅酸钾热控涂层，其特征在于上述的苯丙烯酸乳液和浆料，其重量比为0.4-0.7∶1，其中的浆料以重量百分比计为硅酸钾20 二乙醇胺0.3乳化剂0.2六偏磷酸钠0.2分散剂0.3 消泡剂0.2轻质碳酸钙4 重质碳酸钙8滑石粉4云母4氧化铝45-50稀硫酸适量水为余量。
3.如权利要求1或2所述的氧化铝-硅酸钾热控涂层，其特征在于其中的消泡剂为三正丁基磷酸脂，分散剂为烷芳基聚醚醇类非离子表面活性剂，乳化剂为OP乳化剂C34H62O14。
4.权利要求1所述的氧化铝-硅酸钾热控涂层的制备方法，其特征在于(1)按配方称取硅酸钾和水，投入到搅拌罐中，再加入稳定剂二乙醇胺搅拌均匀，将稀硫酸慢慢加入到搅拌罐中，并使pH控制在11-13的范围内，得到酸性改性水玻璃基料；(2)将六偏磷酸钠溶解后所得的水溶液投入到搅拌罐中，再投入OP乳化剂、消泡剂和分散剂；(3)将填料轻质碳酸钙、重质碳酸钙、滑石粉、云母粉和氧化铝粉投入到罐中分散，通过球磨机研磨，制成浆料；(4)按一定比例将苯丙烯酸乳液加入到浆料中，混合浆料要保持充分搅拌状态。
全文摘要
本发明提供一种低太阳吸收率氧化铝－硅酸钾热控涂层及其制备方法，该涂层由硅酸钾、二乙醇胺、乳化剂、六偏磷酸钠、分散剂、消泡剂、轻、重质碳酸钙、滑石粉、云母粉、氧化铝粉和水组成浆料，与苯丙烯酸乳液按1∶0.4－0.9的重量混合。本发明的涂层空间行为稳定、抗原子氧侵蚀效果显著，热吸收率低，热控效果好，适用于近地轨道飞行器如卫星、载人飞船、空间站和航天飞机等航天器以及各类空间探测器。
文档编号C09D125/00GK1480494SQ0213286
公开日2004年3月10日 申请日期2002年9月4日 优先权日2002年9月4日
发明者张蕾, 严川伟, 张 蕾 申请人:中国科学院金属研究所