碳纤维基底真空沉积膜层的设计研究

翁艺航 史耀强 赵志杰 邙晓斌 侯 俊

碳纤维基底真空沉积膜层的设计研究

翁艺航1史耀强2赵志杰1邙晓斌1侯 俊1

（1. 上海航天电子技术研究所，上海 201109；2. 上海航天技术研究院，上海 201109）

天线反射器是卫星有效载荷中最重要的部分，是实现对地探测、反映产品探测灵敏度的关键部件。为保证碳纤维基底天线反射器在轨工作精度，同时满足特定的热控属性、电属性需求，提出采用真空沉积法在碳纤维基底表面镀制粘结膜层(NiCr)、反射膜层(Al)、保护膜层(SiO2)的膜层设计方法。通过在试片上镀制膜层并测试，验证碳纤维基底真空沉积膜层的可行性。

碳纤维基底；真空沉积；反射膜层；粘结膜层；保护膜层

1 引言

20世纪60年代以来，碳纤维复合材料（CFRP）由于其比强度大、密度小、重量轻、热膨胀系数小、耐热性好、优异的整体成形性能等优点[1，2]，在卫星等航天产品的本体结构、天线结构、支架结构等领域获得了越来越广泛的应用。受在轨高低温、真空-紫外辐照、原子氧等环境影响，通常需要在碳纤维基底表面镀制特殊功能的膜层确保航天产品在轨工作精度，满足相应的热控性能和电性能需求[3]。

卫星微波探测类有效载荷天线反射器主要采用转移法在碳纤维基底表面镀制一层金属铝膜，满足其电性能和热控性能要求。随着对卫星微波探测类载荷研究的不断深入，载荷种类和功能越发多样性，用户对卫星微波探测载荷提出的探测精度指标和探测频率要求越来越高，在轨运行寿命要求越来越长。但是，通过传统的镀膜方法在天线碳纤维基底上镀制一层单一的金属铝膜已经无法满足微波探测载荷在轨探测高精度、长寿命的使用要求，因此提出采用真空沉积法在天线碳纤维基底表面镀制膜层，保证微波探测载荷在轨运行的高探测精度和长寿命稳定工作。

2 研究背景

真空沉积镀膜技术包括物理气相沉积和化学气相沉积。物理气相沉积是指在真空环境下，采用物理方法将镀料气化成原子、分子后直接沉积到基体表面的方法，主要有热蒸发法、磁控溅射法和离子法[4,5]，其中磁控溅射法几乎可以使用所有金属、化合物、介质作为靶材，在基底上可实现大面积薄膜沉积，同时溅射速率稳定，成膜坚固附着力高，膜层致密性高，重复性和均匀性良好[6]。真空沉积镀膜技术具有不影响被镀材料的质量，较大范围内自由选择蒸发原材料，镀膜过程中不会产生有害物质三大优势。

太阳吸收比和发射率是天线反射器膜层的两个重要的热控性能指标。太阳吸收比反映出膜层对投射在其表面的太阳能吸收的百分比，根据太阳吸收比的计算公式：

其中：(λ)是在λ处的反射率，(λ)越大，相应的太阳吸收比越小；(λ)为太阳光谱λ处的能量密度。

发射率是相同温度下物体辐射能力和黑体辐射能力之比。天线反射器发射率与其表面电阻之间的关系：

导电率与表面电阻之间的关系为：

可得：

其中：R为导电层的表面电阻，Ω；为导电层的电阻率，Ω·m；为导电层的厚度，m；为导电层的导电率，S/m。因此，可以通过评估导电层表面导电率得出表面反射率。

根据理论分析，发射率与太阳吸收比的比值（简称发吸比）与天线表面温度关系如表1所示。天线温度随发吸比增大而增大，说明发吸比越大，天线在轨升温越快。

表1 发吸比与天线温度理论分析结果

对于卫星等航天产品而言，通常要求膜层具有低吸收高发射率的热控性能。分析美国空间站辐射器膜层，结合国内某型号卫星微波探测类载荷对膜层性能的要求，可总结出满足低吸收高发射率的膜层种类：a.真空沉积Al/Ag膜层，简称VDA；b.陶瓷类保护涂层；c.二次表面镜型涂层；d.白漆类涂层[7,8]。国际上早在1970年就开始了VDA镀层的研究，G.Hass 等深入细致地研究了在光滑衬底表面的Al+SiO2镀层，得到了不同厚度SiO2薄膜对于镀层发射率和太阳吸收比的影响关系，具有重要的理论意义，如图1所示[9]。

图1 SiO2薄膜厚度与发射率、太阳吸收比的关系

国际上也已经有多个空间载荷中使用了VDA膜层，并得到不错的效果。其中较为著名的为2004年美国国家航空航天局发射到极地轨道上的微波临边探测器Microwave Limb Sounder(MLS)[7]，该载荷采用了VDA的方法在口径为1.6m×0.8m的碳纤维衬底表面镀制了一定厚度的铝膜和SiO2薄膜，使得该载荷表面既具有微波探测能力，可探测大气成分、温度、湿度和云冰，同时具有优异的热控属性，其太阳吸收比0.43，太阳吸收比与发射率比值为1.3。还有一些在研的卫星载荷，例如GEO/GOAS载荷、MWS天线、MASR天线，都将采用VDA方法在主反射面上制备镀层。

国内这方面的研究起步较慢，从事这方面研究的单位很少，主要有上海硅酸盐研究所、兰州空间技术物理研究所、中国科学院光电技术研究所等单位，这些单位在镀制二次表面反射镜镀层、常规第一类镀层以及光学薄膜方面有一些研究和报道。然而国内还没有在碳纤维基底表面镀制VDA膜层应用于卫星有效载荷的报道。

3 基于碳纤维基底的膜层设计

3.1 反射膜层设计

由于金属在整个太阳光谱范围内具有较高的反射率，因此金属薄膜都具有较低的太阳吸收比。为了保证天线反射器膜层满足电性能要求，同时降低其太阳吸收比，需要使天线碳纤维基底表面金属化。

常见金属材料的太阳吸收比和材料导电率如表2、表3所示。

表2 常见金属太阳吸收比

表3 常见金属导电率

由表2、表3可知，Ag和Al都具有较低的太阳吸收比和较高的导电率，但是Ag的空间环境稳定性较差，同时其在基片上的附着力较差。而Al表面可以形成致密的氧化铝薄膜，耐腐蚀性良好，且与玻璃、硅基片、陶瓷基片等介质具有良好的附着性，因此选择磁控溅射Al膜作为膜层材料中的反射层。

3.2 粘结膜层设计

为了满足膜层漫反射占比要求，膜层镀制前对碳纤维基底表面处理。处理后基底表面粗糙度增大，表面能增大[10]，同时考虑其表面钩连状态效应的影响，为增加Al膜在碳纤维基底表面的附着力，需先在基底表面镀制一层粘结层，降低其表面能。常用的粘结层有Al2O3、NiCr、Cr、Cu等物质，Al2O3化学性质稳定，但在大口径范围内采用磁控溅射方法制备较为困难，单质金属容易和Al层形成原电池造成Al层发生电化学腐蚀，而合金NiCr化学性质稳定是很好的粘结层。

在薄膜生长理论中，失配度是决定薄膜生长方式的重要参数，失配度计算公式为：

其中：α为薄膜材料的晶格常数；α为衬底材料的晶格常数。金属Al的块体材料晶体结构为面心立方结构，其晶格常数为=0.4056nm，而NiCr合金中主要成分为Ni，故合金的晶格常数以Ni为基础，Ni的晶体结构也为面心立方晶格，其晶格常数为=0.353nm，两层薄膜的晶格常数的失配度为0.149，因此在NiCr层上生长的Al膜致密度高、附着力强、缺陷少、抗环境稳定性好。

研究表明，薄膜与基体之间形成化学键可以确保其具有牢固的附着力，同时采用磁控溅射镀制的薄膜要比蒸发镀制的薄膜附着牢固，而且当表面能量小的薄膜附着在表面能量大的基底上时，浸润性良好[11]。NiCr薄膜的表面能量小于碳纤维基底，确保了在碳纤维基底上采用磁控溅射法镀制NiCr薄膜时可以降低碳纤维基底的表面能，同时计算可知C与Ni的结合能约为-2.5eV，二者之间存在共价键，因此认为NiCr薄膜在碳纤维基底表面附着能力强。

3.3 保护膜层设计

由于金属表面发射率很低，膜层的太阳吸收比和发射率比值远小于1，不能满足航天产品在轨使用要求，通常需要在金属表面再镀制某些氧化物调节热控性能，同时保护金属膜层，提高膜层在轨工作寿命和稳定性。由于硅的氧化物有较高的发射率，并且与Al膜具有良好的附着能力，因此选择在铝层上真空沉积一层硅的氧化物作为Al膜的保护层且通过调节其厚度获得所需的发吸比。

Al的热膨胀系数为23×10-6/℃，SiO2的热膨胀系数为0.5×10-6/℃，从热膨胀系数方面说，Al与SiO2在热交变过程中会出现裂痕。但由于金属Al的活性高，Al膜层镀制后表面会自然钝化形成致密的厚度为1～5nm的Al2O3膜层，MIT的研究人员发现Al2O3薄膜（2nm）具有液体一样的性质，当Al被拉伸的时候，氧化层也会被拉长，Al2O3薄膜起到钝化Al薄膜表面作用，如图2所示[12]。之后采用蒸发法镀制SiO2膜层时，SiO2生长在Al2O3表面，此时Al2O3起到了缓冲层的作用，膜层匹配性增加，结合牢固。另外，美国空间站辐射器使用了一种带有SiO2保护层的镀银F-46薄膜的膜层，其中Ag的热膨胀系数为19.5×10-6/℃，从热膨胀系数的角度看，该膜层也无法承受极端的温度环境冲击，但实际结果却表明，其在-73～149℃范围内具有十分出色的抗热循环能力[8]，因此Al表面镀制SiO2薄膜其抗热循环能力也会优异。

图2 高温下Al2O3薄膜随着Al变形而变形

采用离子辅助电子束蒸发的方法镀制SiO2薄膜，镀制过程中离子辅助的方法可以提高膜层的致密性，改善膜层抗腐蚀能力，所制备的膜层孔隙少，折射率接近块体材料，吸水性小，如图3所示。

图3 完成膜层镀制的试片

4 应用情况

某型号卫星微波成像仪天线反射器对其膜层的性能要求为：电阻率小于5μΩ·cm，发射率与太阳吸收比的比值在1～1.5之间，太阳吸收比在0.2～0.5之间。根据研究，选择若干40mm×40mm碳纤维基底试片依次进行NiCr、Al、SiO2膜层镀制后，测试膜层附着力、Al膜电阻率测试、太阳吸收比和发射率测试，结果如图4、表3、表4所示。

图4 膜层附着力测试

表4 电阻率测试结果

表5 太阳吸收比和发射率测试结果

从图4可以看出，经过附着力测试后膜层未发生起皮、开裂、起泡、脱膜等缺陷，表明采用真空沉积镀制的膜层与碳纤维基底结合牢固，附着力强；表4电阻率测试结果、表5太阳吸收比和发射率测试结果均满足指标要求。

5 结束语

采用真空沉积法在天线反射器碳纤维基底表面镀制可以满足特定热控性能、电性能要求的膜层：首先采用磁控溅射法在碳纤维基底表面镀制NiCr粘结层以提高膜层附着力，然后镀制Al薄膜作为反射层满足膜层热控性能和电性能要求，最后采用电子束蒸发镀制法镀制SiO2薄膜保护Al膜并且起到调整膜层发射率的作用。在40mm×40mm碳纤维基底试片表面镀制膜层后，电阻率、太阳吸收比、发射率均满足要求，且膜层与碳纤维基底附着良好，说明提出的在碳纤维基底上采用真空沉积法镀制膜层的方法可以保证膜层质量，后续将开展膜层环境适应性验证及在轨长寿命验证。

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Research on Design of Vacuum Deposition Coating on Carbon Fiber Substrate

Weng Yihang1Shi Yaoqiang2Zhao Zhijie1Liu Mingli1Hou Jun1

(1. Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109；2. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109)

The antenna reflector is the most important part of the satellite payload. And it’s the critical component to realize ground target detecting and reflect the detection sensitivity of the products. In order to ensure the working precision on orbit and satisfy the specific thermal control requirements and electrical performance of the carbon fiber substrate antenna reflector, the method of coating techniques are proposed to prepare adhesive coating(NiCr), reflective coating(Al) and protective coating(SiO2) by vacuum desosition on the surface of carbon fiber substrate. In the end, the coating in the samples is prepared and the performance is tested to verify the feasibility of vacuum deposition coating on carbon fiber substrate.

carbon fiber substrate；vacuum deposition；reflective coating；adhesive coating；protective coating

翁艺航（1984），高级工程师，机械工程专业；研究方向：有效载荷系统结构设计。

2020-03-26