热控参数可调Al基复合热控薄膜设计

2019-10-18吴春华王志民

真空与低温 2019年5期

吴春华，王艺，王志民，赵琳，王虎，周晖

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

随着薄膜技术的发展，热控薄膜已成为一类主要的航天器热控材料。热控薄膜典型参数一般在如下范围内：太阳吸收率αs=0.08～0.95；发射率ε=0.02～0.90；αs/ε=0.10～10[1]。航天器各部组件、各部位对热控薄膜性能的要求不同。在上述范围之内，一种热控薄膜通常只能提供固定的热控参数。

为了满足不同的应用需求，通常需要使用多种热控薄膜材料来满足热设计的要求。尽管美国的Sheldahl公司、OCLI公司都实现了热控薄膜材料的系列化，能够满足各种应用场合，但是这类热控材料的性能通常强烈依赖于基底材料的种类，不能直接沉积在工件表面，只能粘贴或包裹在航天器表面使用。基于这些原因，开发一种热控参数不依赖于基底材料，还可在较大范围内调节的热控薄膜具有重要意义。

美国戈达德飞行中心发展了一种银基复合热控薄膜，这种薄膜是在工件表面依次沉积的银膜、氧化铝膜和二氧化硅膜组成，如果有防静电要求，还可以在其上面沉积一层ITO透明导电薄膜。出于对银膜成本较高的考虑，可用铝膜替代银膜，整个膜系被称之为CCAl。这种CCAl复合薄膜，吸收率的大小主要根据铝膜和氧化铝膜的厚度进行调节，发射率可以根据氧化铝和氧化硅薄膜的厚度进行调节，参数调控范围大。日本JAXA和印度ISRO等机构也在做相关研究[2-3]。

基于光学薄膜原理，采用MATLAB编程，设计了三种具有代表性的吸收率/发射率参数的复合热控薄膜，设计结果为实际应用提供了很好的理论和技术支撑。

1 设计方法和过程

1.1 附着力

由于是复合膜系，薄膜的附着力是首要考虑的问题。对于在聚合物柔性基底上镀制金属膜，一般是通过离子活化处理提高基底和金属膜层的附着力，或者在基底和金属膜之间增加一层过渡层，有时，也同时使用两种方法。CCAl的性能不依赖于基底，增加的过渡层在铝膜以下，不会影响整个膜系的设计。

1.2 光学薄膜设计方法

太阳吸收率αs与太阳光谱的关系可通过式（1）表示：

式中：Is为太阳光谱强度；λ1、λ2为太阳光谱的波长，室温条件下通常分别为0.25μm和2.5μm。

发射率ε与光谱的关系可表达为式（2）：

式中：Eb（λ，T）为温度T的黑体在波长λ处的单色辐射能力；λ1、λ2为波长范围，室温条件下通常取0.25μm和25μm；R（λ）为反射率；T（λ）为透射率。

当材料是吸收性介质时，其折射率N为复数：N=n-ik，称为复折射率，其中n为折射率，k为消光系数。根据光学薄膜理论，若已知各膜层的光学常数及其膜系结构，可以根据光学薄膜原理计算出多层膜的反射率R和透射率T，进而通过式（1）、式（2）计算出该多层膜的αs和ε。R和T的计算公式为[4]：

式中：ηm、ηr和η0分别为基底、各层薄膜和空气介质的光学导纳，均可由复数光学常数和入射角度计算得到，Re代表对复数求实部，上标*代表对复数求共轭，δr和θ为各层膜的相位差及光线入射角，与各层薄膜光学常数、厚度及波长有关。

1.3 宽频复数光学常数反演

由于太阳吸收率和发射率涉及的波长范围宽，因此，CCAl结构膜系光学常数的反演要满足宽频的要求。Kramers-Kronig（K-K）是适应其特点的一种光学常数反演方法[5]。只要已知材料的宽频域反射光谱，材料的光学常数原则上可以通过K-K关系变换得到，其基本关系如下：

式中：R为反射率；n为折射率；k为消光系数；θ为振幅反射系数的相位。如果研究对象的光学常数变化较大且频域范围很宽，利用K-K关系计算光学常数简便而且精度满足设计要求。

块体材料通常比较厚，可以直接采用K-K关系反演其光学常数。而薄膜材料由于很薄，整个薄膜-基底系统的反射光谱同时受薄膜材料本身和基底的影响，因此需要有效地剥离基底对薄膜材料光学性能的影响才能得到薄膜的真实光学参数。

光谱拟合法是获取薄膜宽频域范围光学常数的一种方法。该方法基于一定的材料色散模型，根据薄膜光学原理，综合考虑基底-薄膜体系，以理论光谱和实测光谱曲线在不同波长处差值的平方最小化作为目标进行拟合，当实测光谱和理论光谱的差值足够小时，即认为此时的拟合参数和实际的薄膜相吻合[6]。在得到拟合参数结果后，根据色散关系和光学常数的关系反推得到薄膜的复数光学常数。

金属材料一般满足Drude色散关系，半导体或绝缘材料通常满足Lorentz色散关系。色散模型选取的合理性对获取光学常数至关重要。拟合时通常采用混合型介电色散模型：

式（10）右边第一项为绝缘体色散模型，第二项为金属色散模型。材料的介电常数与其复数光学常数存在的关系为：

由于膜系的光谱和复数光学常数存在上述的关系，以理论光谱和实测光谱曲线的差值最小化作为目标进行拟合，可获得色散模型中的相应参数，在此基础上可求得不同波长处的介电常数的实部ε1和虚部ε2，然后再利用式（11）、式（12）得到薄膜的复数光学常数中的折射率和消光系数。

通过全光谱拟合求解光学常数的特殊意义，只需要知道材料的色散模型和测量得到的薄膜材料的反射光谱或透射光谱即可进行光学常数的反演。该方法无过多的限制条件，具有广泛的通用性。利用该方法能够获得宽频域范围的光学常数，与一般的光学常数的测量方法如椭偏法比较，优势明显。

1.4 设计思路

在建立了上述热控参数与薄膜光谱特性的关联后，通过MATLAB数学软件编写了CCAl膜系热控参数计算的程序代码，代码主要包括光学常数反演模块、CCAl膜系结构光谱计算模块和热控参数计算模块。首先根据K-K关系或光谱拟合法计算膜系各层的复数光学常数，然后根据传输矩阵法计算整个膜系的反射光谱，得到光谱后由光学和热学的积分关系计算热控参数。计算过程中对Al层、Al2O3层和SiO2层厚度做网格化处理，由此得到膜层不同厚度组合的太阳吸收率和发射率。

2 设计结果及讨论

基于K-K关系，通过已知材料的反射谱计算了Al、Al2O3和SiO2的复数光学常数，与文献报道具有极高的吻合度[7]。

通过编写的代码设计了三种典型太阳吸收率/发射率的CCAl薄膜膜系，设计结果如表1所列。这三种薄膜膜系的太阳吸收率/发射率分别为0.16、1和7.14，基本涵盖了大部分空间热控薄膜的应用范围。Al膜在CCAl膜系中主要提供高的反射性能，厚度一般达到200 nm即可满足要求。Al2O3和SiO2膜层的发射率随厚度的增加而增加，但随着厚度的增加其发射率增加变缓。对于低吸收、高发射要求的CCAl薄膜，要满足0.75的发射率，其厚度一般要达到18μm。但是对于低中吸收、低中发射和中吸收低发射膜系，发射率数值较小，微小的厚度差异会导致热控参数有较大的变化，因此Al2O3和SiO2的厚度须控制得较为精确。

三种膜系的设计光谱分别如图1～3所示。参数1：低吸收、高发射CCAl膜系反射谱显示了谱段的高可见光反射率和中红外谱段的低反射率；参数2：低中吸收、低中发射CCAl膜系反射谱显示了中-高可见光反射率和10μm附近的较高反射率；参数3：中吸收、低发射CCAl膜系反射谱则显示了中等的可见光反射率和较高的红外反射。

表1 三种典型CCAl膜系设计Tab.1 Design of three typical CCAl thin films

图1 低吸收、高发射CCAl膜系反射谱（αs=0.12，ε=0.75）图Fig.1 Reflectance spectra of CCAl films with low absorption and high emittance（αs=0.12，ε=0.75）

图2 低中吸收、低中发射CCAl膜系反射谱图（αs=0.25，ε=0.25）Fig.2 Reflectance spectra of CCAl films with low to medium absorption and low to medium emittance（αs=0.25，ε=0.25）