铝合金裂缝波导天线热控膜制备技术

吴晓霞，胡江华，卢海燕

(1.合肥工业大学仪器仪表学院，安徽合肥 230009;2.中国电子科技集团公司第38研究所工程技术部，安徽合肥 230031)

目前，铝及铝合金被越来越多的用来代替钢铁和各种有色金属以及木材等非金属材料，并用来制成各种型材、设备、零件及日用工业品［1］。

铝是一种化学活动性较强的轻金属元素。铝及铝合金制品表面能在大气中自然生成一层氧化膜，但这层薄膜不但耐蚀性和耐磨性都很差，而且制品都是单一的银白色，所以，对铝及铝合金制品经过阳极氧化以提高其耐蚀耐磨性能并进行着色装饰，是目前广泛采用的方法［2］。

铝合金波导天线在空间环境下使用，对表面涂层的热辐射特性要求高。虽然其氧化膜的生成机理与常规方法没有本质区别，但在空间环境下使用，其性能和环境的要求与地面产品又完全不同［3］。

因此，文中采用阳极氧化技术通过相关工艺参数的优化和控制获得具有特定指标要求的膜层。包括具有特定热辐射性能的热控膜层的获得、镀膜工艺的稳定性、膜层厚度均匀性、膜层的热辐射指标稳定性、波导子阵镀膜工艺的实现及控制以及空间环境试验及适应性分析。

1 阳极氧化制备热控膜

实验样片采用LF21铝试片，并模拟波导加工的实际过程，进行铝合金阳极氧化［4］。

课题波导子阵表面镀膜层热辐射指标为:半球发射率εh:0.72～0.74;太阳吸收率αs:0.3～0.35。

1.1 工艺流程简介

由于膜层的热辐射性能受工艺方法和工艺参数的影响较大，因此对氧化工艺与膜层的热辐射性能之间的关系进行了研究，优化了工艺参数，来获得本实验所需的半球发射率和太阳吸收率指标。

图1 热控膜制备流程

1.2 氧化膜的热辐射性能试验

针对不同工艺条件下获得的εh、αs值进行了测试，结果如表1所示。

表1 不同工艺条件获得热控膜指标

1.3 氧化膜一致性试验

为验证氧化工艺一致性问题，按照方法5对10块试片进行氧化处理，测试热辐射性能，结果如表2所示。

表2 氧化膜一致性热控膜指标

比较表2和表1中方法4的αs、εh，二者无明显差别(≤0.02)，表明不同批次的加工工艺一致性较好。

1.4 氧化膜均匀性

70 mm×70 mm×2 mm的样板，测试数据表明不同区域膜层厚度未出现明显差别，均匀性较好。150 mm×150 mm×6 mm的样板，再次测试了不同区域膜层厚度，不同区域氧化膜厚度误差＜1 μm，如图1所示。而当膜厚在5 μm以上时，αs、εh值随膜厚变化缓慢，如图2所示。因此对波导子阵来说，表面各处的αs、εh值应基本一致。

图2 氧化膜厚度均匀性

图3 氧化膜厚度与热控膜指标关系

2 波导腔体清洗试验

2.1 超声清洗工艺

超声波清洗的原理是由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质－清洗剂中，超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的直径为50～500 μm的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在气场的作用下振动，这些气泡在超声液纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区，当声压达到一定值时，气泡迅速增大，然后突然闭合，并在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压，破坏不溶性的污染物而使之分散于清洗液中，这就被称为“空化”效应［5－7］。

由于超声波的能量可穿透细微的缝隙和小孔，故可应用于任何形状、任何复杂程度波导腔体。

本实验波导天线只在辐射面上有些1 mm宽的辐射缝，由于波导腔体内部结构复杂，阳极氧化后会有大量液体残留于腔体内。如不清洗干净，波导腔体将会造成严重腐蚀。而采用常规的水清洗难以保证清洗干净，因此采用流动水洗+超声清洗方式+浸洗以除去波导腔体中可能残留的化学溶液。

2.2 清洗效果检测

溶液中残留的主要成分为碳酸钠、磷酸钠、硫酸等，采用去离子水作为清洗液进行超声波清洗。30 min为1号水样，再进行30 min清洗为2号水样，如表3所示。

表3 二次超声波清洗后残留离子测试结果

为了验证波导内腔腐蚀液是否清洗干净，对经过化学抛光和阳极氧化的单根波导进行了解剖，在放大4倍的放大镜下观察，波导内腔未出现明显的腐蚀产物堆积，如图4所示。

图4 清洗后腔体解剖图

3 空间环境适应性试验及分析

对原子氧和真空出气进行了试验测试，对热循环、电子辐照、质子辐照等环境进行了分析。技术指标及完成情况如表4所示。

表4 空间环境适应性实验

技术指标说明:在热控膜层制备工艺专题研究过程中提出的指标为εh=0.72～0.74，αs=0.30～0.35，对范围进行了限制，尤其是εh范围过窄，需要对工艺参数进行一步限定并对工艺过程严格控制。

4 结束语

(1)通过实验可得出，阳极氧化能使铝波导表面获得符合空间环境下εh为0.7～0.76和αs为0.3～0.35的热辐射指标。(2)通过改变具体工艺参数值，可获得几组 εh值，范围分别为0.70～0.72，0.72～0.75，0.73～0.74，0.74～0.76;αs为0.3～0.35之间。(3)通过本课题获得的氧化膜，其均匀性和一致性都较好，发射率、吸收率偏差均不超过0.02。(4)在获得热控膜后，常规的清洗无法去除波导腔体和焊缝的残留液体。必须采用流动水洗+超声清洗方式+浸洗以除去可能残留的化学溶液。

［1］ 曲保中．工科大学化学［M］．北京:机械工业出版社，1993．

［2］ 王铁盟．铝及铝合金花样电解着色工艺［J］．电镀与涂饰，2004(6):13－14．

［3］ 朱子新，杜则裕，徐滨士．表面工程技术在航空领域中的应用和发展［J］．兵器材料科学与工程，2001(4):65－69．

［4］ 罗一帆，许旋，陈学文，等．铝合金硫酸阳极氧化工艺［J］．电镀与涂饰，2004(1):33－35．

［5］ 王家宝．超声波清洗工艺的原理及应用［J］．柴油机设计与制造，2006(4):36－38．

［6］ 李雅莉．超声波清洗的原理和实际应用［J］．清洗世界，2006(7):31－35．

［7］ 王家宝．超声波清洗工艺的原理及应用［J］．柴油机设计与制造，2006(4):36－38．