影响铝合金阳极氧化热控膜热物理性能的因素

胡江华*，卢海燕，吴晓霞

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥　230088）

影响铝合金阳极氧化热控膜热物理性能的因素

胡江华*，卢海燕，吴晓霞

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥230088）

通过硫酸阳极氧化在3A 21铝合金表面制备了阳极氧化膜。考察了溶液温度、电流密度、氧化膜厚度、真空钎焊、化学抛光对氧化铝涂层的半球发射率Hε和太阳吸收比sα的影响，并测试了氧化铝涂层的稳定性和抗原子氧能力。采用合适的工艺方法可获得具有特定热物理性能的氧化铝涂层，满足卫星有效载荷热控涂层的要求。

铝合金；阳极氧化涂层；半球发射率；太阳吸收比；热控设计

First-author's address: No.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088， China

星载产品由于处在阳光直射及深冷的空间环境，背阳面与向阳面的温差可达数百度。为保证星上产品在设定的温度范围内工作，热控系统的设计显得尤为重要。由于太空环境近乎真空，卫星产品的热交换只限于辐射。系统的平衡温度由其表面层的热辐射特性即太阳吸收比（sα）和半球发射率（Hε ）决定［1］。在热控系统设计中通常将涂层技术作为控制平衡温度的重要手段之一，具有特定热辐射特性的热控涂层可通过自身的热物理特性来调节航天器表面的温度。

在航天器上使用的高发射低吸收热控涂层一般分为三大类：（1）白漆；（2）二次表面镜型涂层；（3）陶瓷类保护涂层。其中陶瓷类涂层即为采用硫酸阳极氧化技术在铝合金表面获得的氧化铝涂层。尽管其空间使用经验十分有限，但对于长时间运行的空间站来说已是十分重要的候选涂层。氧化铝涂层的厚度只需几微米至几十微米，质量轻；由于原位生长，其与航天器铝基体间的结合力十分牢固，且在空间环境下的稳定性良好［2］。因此，对于铝基航天产品来说，采用阳极氧化技术制备热控层用于热控设计具有重要意义。

不同产品对Hε、sα的要求不一样，与器件发热量和接收到的光照强度等密切相关，过高的吸收率和过低的发射率会导致产品工作温度过高，反之则过低，均能影响到产品的工作效率和可靠性。本文以某星载产品缝隙波导表面热控膜层制备为背景展开工艺研究，考察了前处理方式、氧化工艺参数、材料表面状态、真空钎焊过程对氧化铝涂层热物理性能的影响，以及氧化铝涂层的稳定性及抗原子氧能力，旨在揭示工艺参数及氧化铝涂层厚度与Hε 、sα的关联性，即不同参数下可以获得的Hε 、sα值，为设计人员提供参考。

1　实验

1. 1试剂与材料

材料为70 mm × 70 mm × 1 mm的3A 21铝合金。

阳极氧化液是由分析纯的硫酸与去离子水配制的质量浓度200 g/L的硫酸溶液。

1. 2铝合金阳极氧化

工艺流程为：（真空钎焊）→碱蚀→水洗→硝酸中和→水洗→（化学抛光）→（水洗）→阳极氧化→水洗→热水封闭→干燥备用。

说明：2.1和2.2节涉及到的氧化铝涂层制备过程无真空钎焊和化学抛光；2.3节无真空钎焊；2.4节无化学抛光。

由于氧化铝涂层厚度达到4 ～ 5 μm后，其热物理性能趋于稳定，工艺控制较为容易，且氧化时间较短，因此除2.2节外，其他试验中膜厚均取5 μm。

阳极氧化设备为500A/36VDC风冷式开关整流电源，采用恒流方式，以铝合金为阳极，纯铝板为阴极。研究的工艺参数范围如下：电流密度0.6 ～ 1.2 A/dm2，氧化温度13 ～ 22 °C，氧化时间为20 min。

1. 3性能测试

分别采用美国Devices & Services公司生产的AE1/RD1辐射率仪和SSR-ER太阳光谱反射率仪测量氧化铝涂层的Hε和sα。用 Sirion-200热场扫描电镜（SEM）观察真空钎焊后所得样品的表面形貌。采用 Fischer公司的MP20E-S测厚仪测量氧化铝涂层的厚度。委托兰州空间技术物理研究所进行抗原子氧试验和真空挥发试验。

2　结果与讨论

2. 1氧化工艺参数对氧化铝涂层热物理性能的影响

2. 1. 1电流密度

不同电流密度所得氧化铝涂层的热物理性能见图1，结果显示电流密度对氧化铝涂层的热控性能影响较小。

2. 1. 2溶液温度

控制电流密度为1 A/dm2，测量不同溶液温度下所得氧化铝涂层的热物理性能如图2所示。可见溶液温度对氧化铝涂层的热物理性能有一定的影响。随着温度升高，氧化铝涂层的半球发射率和太阳吸收比均呈增大趋势。

图1　热物理性能与电流密度的关系Figure 1　Relationship between thermal physical property and current density

图2　热物理性能和溶液温度的关系Figu re 2　Relationship betw een thermal physical property and bath tem perature

综合考虑，后文研究均在电流密度1 A/dm2，溶液温度（18 ± 0.5） °C的基础上进行。

2. 2氧化铝涂层厚度对氧化铝涂层的热物理性能的影响

图3显示了氧化铝涂层的热物理性能与其膜厚的关系。

图3　热物理性能与氧化铝涂层厚度的关系Figure 3　Relationship between thermal physical property and film thickness of anodic oxide coating

从图3可见，氧化铝涂层的厚度对其热控性能有显著影响，特别是Hε，铝基体仅有0.06，几乎无热辐射能力。随着氧化铝涂层增厚，Hε迅速增大，当膜厚达到4 ～ 5 μm时，增速趋缓。sα也呈现增大趋势，当膜厚达到2 μm后即进入一个相对稳定的区域。

2. 3化学抛光对氧化铝涂层热物理性能的影响

分别采用2种方式对各5块样品进行前处理。一种是常规工艺，即仅是普通的除油和酸洗，另一种增加了化学抛光工序，所用抛光液为常用的三酸溶液［m（磷酸）∶m（硫酸）∶m（硝酸） = 90∶3∶7］。化学抛光对氧化铝涂层热物理性能的影响见表1。

表1　化学抛光对氧化铝涂层热物理性能的影响Tab le 1　In fluence of chem ical polishing on thermal physical p roperty of anodic oxide coating

由表 1可知，化学抛光会导致氧化铝涂层半球发射率和太阳吸收比下降，其中太阳吸收比下降幅度较大，平均下降约20%。可采取这种方法处理有低sα要求的产品。另外，化学抛光能改善材料的表面状态，提高表面一致性，减小sα的波动范围，有利于热控设计。

2. 4真空钎焊对氧化铝涂层热物理性能的影响

在实际工程中，产品并不是常规状态下的铝合金，通常都会经过若干道加工工序，其中真空钎焊是铝合金器件加工成型的常用手段之一，对具有复杂形腔的零件（如裂缝波导、微波组件盒体等）具有独特优势。但研究发现真空钎焊过程会给氧化铝涂层的热物理性能带来不利影响，造成sα显著增大，超出通常情况下± （0.02 ～ 0.03）的波动范围。为此，本文进行了实验。

将试片分为2组，第一组C1-C5放入真空钎焊炉随实际零件一起模拟真空钎焊过程，主要过程为：零件清洗干净后放入真空炉，抽真空至8.5 × 10-3Pa时开始加热，然后沿着设定的升温曲线加热至焊接温度570 °C，真空度达1.5 × 10-3Pa，该温度下保持约240 m in，然后停止加热，自然冷却，取出试片待用。第二组D1-D5为常规状态下的铝合金。2组试片经相同的氧化过程后，常规状态铝合金上所制氧化铝涂层的sα分别为0.32、0.31、0.33、0.34和0.32，而经过真空钎焊过程的铝合金上的氧化铝涂层的sα显著升高，分别为0.38、0.37、0.38、0.38和0.36，平均提高幅度约为0.04。利用SEM观察二者断面（见图4），可见经过真空钎焊的铝合金出现数微米厚的异常层，明显有别于常规铝合金。可能的原因是铝合金在真空钎焊过程中由于长时间处在高温环境，加之真空炉中放置过镁粉等其他物质，即便在真空环境下表面也会发生一定程度的氧化等化学反应及可能受到污染，该异常层的组织状态与正常的铝合金有所区别，化学成分也可能不同，因此在其上形成的氧化铝涂层不同于正常铝合金上的氧化膜，从而导致热物理性能变化。

图4　常规和经过真空钎焊过程的铝合金断面形貌Figure 4　Fracture morphologies of common and vacuum brazed alum inum alloys

真空钎焊过程会使氧化铝涂层的sα发生较大变化，为消除其影响，可加大碱腐蚀力度。碱溶液成分为氢氧化钠25 g/L、碳酸钠45 g/L、磷酸钠55 g/L，温度为62 °C。表2为不同碱蚀时间后氧化铝涂层的sα。从表2可知，随着碱蚀时间延长，异常层被逐渐去除，碱蚀3 min时，异常层基本去除干净，此时再进行阳极氧化，获得的氧化铝涂层的sα与常规铝合金基本一致。

表2　碱蚀不同时间后所得氧化铝涂层的太阳吸收比Table 2　Solar absorptance of the anodic oxide coating after alkaline etching for different time

2. 5氧化铝涂层的性能

2. 5. 1氧化铝涂层在室内环境下的稳定性

将在温度（18 ± 0.5） °C、电流密度1 A/dm2下制备的阳极氧化试片（膜厚5 μm）自然放置在室内环境中，考察氧化铝涂层热物理性能的稳定性，结果见表3。可见所得氧化铝涂层在大气环境下十分稳定，1年后其热物理性能无明显变化。

表3　室内环境放置一年后氧化铝涂层　sα、Hε 的变化Table 3　Variation ofsαand　Hε of the anodic oxide coating after one year exposure under indoor environment

2. 5. 2氧化铝涂层的抗原子氧能力

大多数低地球轨道（LEO）航天器都运行在高度小于1 000 km的近圆轨道，原子氧（AO）是该轨道空间的主要大气成分，由太阳紫外线对氧分子的解离而产生［3］。航天器在轨运行过程中，暴露在星外的热控层会遭受原子氧的“冲刷”，抗原子氧能力是考量热控涂层实用性的一项重要指标。实验条件为：束流密度 1015/（cm2·s），真空度小于10-2Pa，总遭遇量1.6 × 1020个/cm2。实验结果见表4。可知氧化铝涂层在原子氧环境下较为稳定，实验前后Hε 和sα变化均不超过0.01。

表4　原子氧试验前后氧化铝涂层的半球发射率和太阳吸收比Table 4　Hem ispherical em ittance and solar absorptance of anodic oxide coating before and after atom ic oxygen erosion test

2. 5. 3真空挥发性能测试

按QJ 1558-1988《真空中材料挥发性能测试方法》测试了铝合金阳极氧化试片在空间环境下的总质量损失（TML）、收集到的可凝挥发物（CVCM）和水蒸汽回吸量（WVR）。测试条件为：真空度10-4Pa，温度（125 ± 1） °C。氧化铝涂层在真空环境下的TML为0.07%、CVCM为0.0%、WVR为0.02%，均很小，远低于航天器材料真空环境适应性试验标准规定的TML必须低于1.00%、CVCM必须低于0.1%的要求［4］。

3　结语

铝合金阳极氧化膜在原子氧环境下具有良好的稳定性，是卫星有效载荷热控设计的重要选项之一。但氧化铝涂层的热物理性能（即太阳吸收比sα和热辐射率Hε）受多种因素影响，不仅包括氧化工艺和前处理方式，而且包括前道工序的加工方法、材料自身表面状态等。因此，要获得具有特定Hε和sα且一致性好的阳极氧化膜，除选用适当的工艺参数外，还必须对零件生产的全流程进行精确控制，确保其进入阳极氧化前的表面状态一致。

［1］ 赵飞明， 张廉正， 曾一兵， 等. 低太阳吸收率αs高发射率ε有机硅热控涂层进展［J］. 宇航材料工艺， 1998， 28 （3）: 11-14， 48.

［2］ 王旭东， 何世禹， 杨德庄， 等. 美国用于空间站辐射器中的热控涂层［J］. 宇航材料工艺， 2002， 32 （1）: 12-18.

［3］ 李涛， 姜海富， 刘向鹏， 等. 空间原子氧环境对常用热控涂层的影响［J］. 航天器环境工程， 2012， 29 （3）: 268-272.

［4］ 冯伟泉. 航天器材料空间环境适应性评价与认定准则研究［J］. 航天器环境工程， 2010， 27 （2）: 139-143.

［ 编辑：杜娟娟 ］

Factors affecting thermal physical properties of anodic oxide coating on aluminum alloy for thermal control purpose

HU Jiang-hua*， LU Hai-yan， WU Xiao-xia

Anodic oxide coating was obtained on 3A21 aluminum alloy by sulfuric acid anodization. The effects of bath temperature， current density， film thickness， vacuum brazing and chemical polishing on hemispherical emittance （Hε） and solar absorptance （sα） of the anodic oxide coating were studied， and its stability and atom ic oxygen erosion resistance were tested. The anodic oxide coating w ith specific thermal physical properties can be obtained by appropriate process， meeting the requirements of thermal control coating for satellite payloads.

aluminum alloy； anodic oxide coating； hemispherical emittance； solar absorptance； thermal control design

V252； TG178

A

1004 - 227X （2016） 12 - 0614 - 05

2016-03-16

2016-03-29

胡江华（1965-），男，安徽怀宁人，高工，主要从事电镀及化学转化膜方面的研究工作。

作者联系方式：（E-mail） hjhcetc38@163.com。