一种空间深冷热控涂层及其制备方法

本发明涉及一种空间深冷热控涂层及其制备方法，属于新材料领域。

背景技术：

1、随着当前深空探测、天文观测和长期驻人空间站等航天科技的快速发展，航天器低温工作部件，如液氧贮箱、红外光学设备、超导电机以及传感器等设备需要工作在液氮温度及以下，因此亟需研发一种能够使空间环境中无内部热源的物体在没有额外能量输入的情况下达到深冷状态的低温热控涂层。这不仅可使詹姆斯韦伯望远镜表面阵列、超导器件等这类需要在深冷环境下工作的器件正常运行，还能够使得航天器可以长期储存液氧等推进剂以实现深空探测的目标。

2、然而，传统低吸收热控涂层所能达到的平衡温度远不足实现空间深冷，而斯特林制冷机等主动制冷手段不仅占用有效体积和重量、且耗能、使用寿命短。例如，在理想空间条件下，距离太阳1个天文单位处，球形黑体的表面热平衡温度约为278k，涂覆传统白色热控涂层(如αs＝0.09，εh＝0.91)可使其表面温度降至157k，涂覆专利(卫星太阳基板表面玻璃型二次表面镜热控涂层及制备方法cn 109705645 a)中的osr玻璃二次表面镜热控涂层(如αs＝0.06，εh＝0.83)可使其表面温度降至144k，但仍远高于液态燃料/冷却剂贮箱等50k的控温要求。文献[robert c.youngquist,mark a.nurge.j.spacecraft.rockets.2018,55,622-631]描述了1天文单位处覆盖有理想涂层的物体的稳定温度随材料截至波长变化的情况。发现随着截止波长的上升温度也逐渐下降，当红外反射截止波长为4μm时，平衡温度约为88k，达到存储液态氧温度，但还不足以提供超导材料的工作温度。当截止波长达到8μm时，平衡温度可以达到50k，这个温度既可以实现超导工作条件又可以在低压条件下存储高密度液态氧。

3、空间中的物体受到太阳热流的直接辐射、地球或其他行星反射的太阳辐射和来自于地球或其他行星的红外热辐射等空间外热流的加热作用,并向温度相当于4k的宇宙空间辐射散热。因此，为了获得物体的深冷低温，必须要反射太阳热流、反射地球等行星辐射的红外线(地球的峰值辐射波长为9.7μm)和辐射物体自身热量。因此，通过制备一种可反射绝大部分太阳热流且又能够有远红外辐射换热性能的热控涂层，可实现对空间低温工作设备的深冷控温需求。

技术实现思路

1、本发明针对当前深空探测航天器的低温控温需求，基于光谱设计和能带调控原理，旨在提供一种空间深冷型低温热控涂层及其制备方法，以获得在空间环境下低至50k的控温水平。所公开的深冷热控涂层为氟化物/ag/镍三层复合结构，可广泛应用于空间极端环境下服役的各类航天器低温控温设备和工业被动辐射制冷等领域。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明所述涂层由表面辐射材料、中间反射层和背面保护层组成，表面辐射层、中间反射层和背面保护层构成本发明的深冷热控涂层，所述的深冷热控涂层为三层复合结构，该三层复合结构为氟化物/ag/镍或者氟化物/al/镍的三层复合结构。

4、涂层在反射绝大部分太阳辐射热流的同时，通过自身与空间低温的辐射换热将吸收的太阳辐射及自身产热发射出去，以达到将控温目标辐射制冷至低温。所述表面辐射材料为baf2、mgf2、caf2中的一种，其红外反射截止波长在8～12μm之间；所述中间反射层材料由al、ag中一种或多种组成，以反射绝大部分波长在0.2um-7μm的太阳热流。所述背面保护层为金属镍层，以防止中间反射层在空间原子氧环境的氧化侵蚀。

5、进一步，所述背面保护层具有优良的传热系数，能够使被控温设备产热有效的向外传递，最终通过辐射的形式发射出去。

6、本发明一种空间深冷热控涂层的制备方法为：

7、步骤一、将baf2、mgf2、caf2透明晶体中的一种进行丙酮超声清洗、烘干，放入镀膜机中进行真空蒸镀ag反射膜或者al反射膜；步骤二、将步骤一获得的晶体在镀银的一面蒸镀ni保护膜；步骤三、将步骤二蒸镀后的样品取出清洗、烘干，制备的深冷涂层样品的平衡温度为48k。

8、进一步，所述的步骤一中真空蒸镀的反射膜厚度为200nm；所述的步骤二中镍膜厚度为50nm。

9、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

10、本发明所提供的空间深冷涂层通过对具有不同光谱特性材料的组合设计，使得该涂层不仅在太阳辐射能量分布较多的区间内吸收率极低，同时在太阳辐射能量分布很小的长波区间发射率极高，从而可以实现空间深冷效果，相比于传统低吸收高发射热控白漆空间理想条件下约160k的控温效果，本发明所述空间深冷热控涂层可获得低至50k的控温效果。本发明所述涂层具有结构简单、成本低廉、可规模化生产等优点，可广泛应用于各类航天器低温工作设备的热控系统，如燃料存储、空间超导装置、低温天文望远镜观测等应用场景。所制备的涂层在地面环境中也具有突出的辐射制冷效果，可获得比大气环境温度低5℃以上的制冷效果，可应用于建筑物和户外工业设备的节能减排。

技术特征：

1.一种空间深冷热控涂层，其特征在于，所述的深冷热控涂层为三层复合结构，包括表面辐射层、中间反射层和背面保护层；深冷热控涂层的表面辐射层具有较高的长波红外截止频率；中间反射层用于高效反射太阳热流；背面保护层用于防护涂层的空间原子氧氧化；深冷热控涂层在反射绝大部分太阳辐射热流的同时，通过自身与空间低温的辐射换热将吸收的太阳辐射及自身产热发射出去，以达到将控温目标辐射制冷至低温；

2.根据权利要求1所述的一种空间深冷热控涂层，其特征在于，所述的表面辐射材料的红外反射截止波长在8～12μm之间；所述的中间反射层以反射绝大部分波长在0.2um-6um的太阳热流；背面保护层为金属镍层以防止中间反射层在空间原子氧环境的氧化侵蚀。

3.根据权利要求1～2任一所述的一种空间深冷热控涂层的制备方法，其特征在于，所述的方法为：

4.根据权利要求3所述的一种空间深冷热控涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中真空蒸镀的反射膜厚度为200nm；所述的步骤二中镍膜厚度为50nm。

技术总结
本发明公开了一种空间深冷热控涂层及其制备方法，属于新材料领域；本发明深冷热控涂层材料由表面辐射层、中间反射层和背面保护层组成，本发明中表面辐射层宜具有较高的长波红外截止频率，如氟化物；中间反射层用于高效反射太阳热流，如Ag、Al层；背面保护层用于防护涂层的空间原子氧氧化，如镍薄膜层。制备的涂层为氟化物/Ag/镍三层复合结构。涂层的太阳吸收比低至0.03，红外反射截止波长为8~12µm，涂层热平衡温度低至50K，可应用于空间服役的各类航天器的低温设备的热控系统。此外，该涂层在地面环境中亦具有辐射制冷效应，可获得比大气环境温度低5℃以上的的降温效果，可用于建筑物和工业设备的降温节能。

技术研发人员：吕金鹏,陈卓,文相宇
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13