深空辐射环境对高吸收率消杂光涂层的性能影响

2021-12-04张家强杨佑健孙浩然

宇航材料工艺 2021年5期

张家强牛虎杨佑健孙浩然平托

（1 北京卫星制造厂有限公司，北京 100190）

（2 中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

文摘为了研究深空辐射环境对SCB-1 型空间高吸收率消杂光涂层的太阳光谱吸收性能影响。采用5 000 ESH 剂量的真空-紫外、2.5×1015 p∕cm2 注量的真空-质子和2.5×1016 e∕cm2 注量的真空-电子依次对SCB-1消杂光涂层进行串联辐照试验，分析各项辐照试验前后消杂光涂层外观、太阳吸收比αs及半球发射率εH的变化情况。并采用热失重分析（Thermal Gravity Analysis）判断消杂光涂层受辐照试验后的分解情况与热稳定性变化。经串联辐照试验后，SCB-1 消杂光涂层全波段太阳吸收比总变化值Δαs下降了0.011～0.012，400～1 100 nm 波段太阳吸收比总变化值Δαs下降了0.011～0.013，以上三项串联辐照过程中SCB-1 消杂光涂层的半球发射率总变化值ΔεH无明显变化。SCB-1 消杂光涂层呈现了极佳的深空辐射环境下的消杂光持久性，可对未来深空探测领域的光学技术发展提供有力支持。

0 引言

探测恒星等暗目标的光学探测系统星敏感器与获取地球目标信息的光学传感器系统空间相机，均对深空中存在的杂散光极为敏感。杂散光基本来自地气光、月亮光和太阳光这类成像外的强光，其中太阳光是杂散光最主要的来源，其对比7.5 等星，可达到1013以上的强度。当空间光学系统受到这些光线的干扰后，内部各元部件会对接触到杂散光产生二次反射或衍射，出现多余的非成像光线，形成“噪声”。“噪声”不仅会影响成像信噪比、对比度与识别精度，甚至会在成像像面上呈现光斑，最恶劣的情况下，还会淹没目标图像。因此，杂散光抑制是后续高等星探测与超高分辨率光谱呈像发展的关键技术问题［1-4］。

“十三五”及其后续航天器对高精度姿态定位、高精度光谱成像等提出了更高要求，对超高吸收率消杂光涂层提出了太阳吸收比不小于0.98的技术要求。涂层太阳吸收比由0.97 提升至0.98，在不改变成像产品结构的基础上，到达产品探测面的杂光能量将下降50%以上，光学系统的信噪比提升约2 倍，可以极大的提高系统的灵敏度和信号探测能力。目前广泛应用的进口PNC 黑漆太阳吸收比为0.97，已不能满足后续极高精度星敏感器、高精度光学相机等产品的杂散光抑制要求。

北京卫星制造厂有限公司开发了一种适用于空间环境的高吸收率消杂光涂层（SCB-1 涂层），200～2 500 nm 下太阳吸收比αs≥0.98，目前短期内在轨应用状态良好，可以满足后续消杂光技术要求。但消杂光涂层应用的遥感相机或星敏感器等光学仪器会长期暴露在空间环境中，会长期直接与深空中能量极高的真空-紫外或真空-质、电子接触，这些辐照物质可能会造成涂层材料的光学吸收性能与耐热性能退化［5-7］，以及导致涂层发生凋落或开裂等情况，更严重的情况下，还会发生凋落的涂层附着到光学镜头表面干扰成像［8-9］。

为研究长期的深空辐射环境是否会对SCB-1 涂层造成性能退化，本文针对SCB-1 涂层开展深空环境下的模拟辐照测试，以此来判定SCB-1 消杂光涂层长期抵御深空辐射环境后的光学性能与耐热性能退化情况。

1 实验

1.1 涂层试样制做

（1）涂层成分及来源：SCB-1 高吸收率消杂光涂层为自研产品，PNC黑漆购买自法国MAP公司，两者主成分均为炭黑填料与有机硅类树脂粘接剂等物质，交联剂采用硅酸四乙酯，采用有机锡类催化剂，二甲苯为溶剂。

（2）实验试样制作：使用尺寸为30 mm×30 mm×1 mm、牌号为5A06的铝合金试片为涂装基材，对基材进行本色导电阳极化处理。采用0.15 MPa 的空气压力，以喷涂方法进行SCB-1 消杂光涂层和PNC 涂层试样的制作，喷涂5～7 遍，阴干24 h 后，采用50℃烘烤固化4 h 后再85 ℃烘烤固化16 h，得到40～70µm 厚度的SCB-1 与PNC 黑漆的空间级消杂光涂层试样。

1.2 空间模拟辐照实验方法

选取3 个SCB-1 涂层试样与1 个PNC 黑漆涂层试样，以串联的方式依次进行真空-紫外辐照、真空-电子辐照及真空-质子辐照试验。真空-紫外辐照试验过程中选取7个辐照剂量点，真空-电子及真空-质子辐照过程中各选取5个辐照剂量点，对以上剂量点下的涂层进行太阳吸收比与半球发射率的测试，观察涂层变化情况。真空-紫外辐照总量为5 000 ESH，真空-电子辐照注量为2.5×1016e∕cm2，真空-质子辐照注量为2.5×1015p∕cm2，每项辐照试验均采用分段测试试片表面涂层热辐射性能并在辐照试验最后观察涂层外观状态的方法；试验设备与试片放置状态如图1与图2所示。

图1 真空-紫外辐照设备与试片摆放状态Fig.1 Vacuum-UV irradiation equipment and the placement of test plates

图2 真空-质子电子辐照设备与试片摆放状态Fig.2 Vacuum-proton＆electron irradiation equipment and the placement of test plates

1.3 消杂光涂层性能检测方法

消杂光涂层的太阳吸收比αS及半球发射率εH的测试依据GJB2502.02—2006 与GJB2502.03—2006；消杂光涂层外表面状态检验方法按GJB 2704A—2006 进行，热失重检测采用美国PE 公司的TG∕DTA 6300 热失重分析仪，消杂光涂层辐照后结合力的检测方法按GB∕T9286—1998 进行，根据涂层厚度范围采用1 mm专用漆膜划格刀进行检测。

2 结果及分析

SCB-1 涂层经真空-紫外、真空-质子以及真空-电子辐串联照后，涂层太阳吸收比与半球发射率性能变化数据如表1所示。三项串联辐照后，涂层全波段200～2 500 nm 的太阳吸收比αS下降了0.011～0.012，400～1 100 nm 太阳吸收比αS下降了0.011～0.013，半球发射率εH变化相对较小，属于测量误差范围内。PNC 黑漆在200～2 500 nm 的太阳吸收比αS降低0.011，400～1 100 nm 太阳吸收比αs400～1100nm降低0.012，半球发射率εH同样未发生明显变化。

表1 经真空-紫外、电子、质子辐照前后的SCB-1与PNC消杂光涂层吸收发射数据Tab.1 The αs and εH of SCB-1 and PNC coatings before and after the vacuum-electron，the vacuum-UV and the vacuum-proton irradiation

由SCB-1 涂层太阳吸收比过程测试累计点的曲线如图3所示。

图3 真空-紫外、电子及质子串联辐照过程中SCB-1与PNC涂层太阳吸收比变化Fig.3 The αs of SCB-1 and PNC coatings during the vacuum-UV，the vacuum-electron and the vacuum-proton irradiation

涂层在0 ESH 至3 000 ESH 时太阳吸收比降低较为显著，而3 000 ESH 后，涂层αS降低趋势停止，开始保持，无明显变化；各项辐照测试后的PNC 黑漆与SCB-1 涂层200～2 500 nm 波段光谱吸收变化曲线如图4、图5所示，曲线呈整体降低，450～800 nm 波段吸收曲线降低显著，与表2 中Δαs值较低于Δαs400～1100nm值的数据结果。真空-电子辐照阶段，SCB-1 涂层与PNC 黑漆均无明显变化，而到了真空-质子辐照阶段，SCB-1 涂层与PNC 黑漆涂层200～2 500 nm 波段下的太阳吸收比αs与400～1 100 nm 波段下的太阳吸收比αs400～1100nm数值均先较小程度的降低，再趋于稳定。这可能是由于电子的粒径、质量较质子更小，轰击后作用于涂层的深度高于质子，所以对涂层外表面的太阳吸收比αs的影响也较小。

图4 真空-紫外、真空-电子及真空-质子串联辐照前后SCB-1涂层太阳光谱吸收曲线Fig.4 The solar spectral curve of SCB-1 coatings before and after the test during vacuum-UV，vacuum-electron and vacuumproton irradiation

图5 真空-紫外、真空-电子及真空-质子串联辐照前后PNC涂层太阳光谱吸收曲线Fig.5 The solar spectral curve of PNC coatings before and after the test during vacuum-UV，vacuum-electron and vacuumproton irradiation

SCB-1涂层经三项串联辐照前后外观状态如图6所示，涂层在试件表面均未发现脱落与露底现象，但涂层外观颜色均明显变浅，由深黑色转为黑灰色，PNC涂层外观变化较大，由深黑色转化为灰色。但涂层均未出现开裂、露底基材现象。对真空-紫外、电子及真质子连续辐照后的SCB-1涂层进行热失重测试，热失重（TG）曲线与失重变化曲线（DTG）见图7。

图6 真空-紫外、电子及质子辐照前后SCB-1与PNC涂层外观状态Fig.6 Appearance state of the SCB-1and PNC coatings before and after the series of irradiation testing.

图7 经历不同辐照试验前后SCB-1的TG曲线与DTG曲线Fig.7 The TG and DTG curves of SCB-1 coatings before and after irradiation in different space environments

可看出未经辐照试验的SCB-1 涂层失重5%的温度在290 ℃，经历了紫外辐照后的SCB-1涂层失重5%的温度达到445 ℃，这种失重温度提高的原因是由于高能紫外辐照促使有机硅树脂的侧甲基断裂，同时有机硅树脂在断裂处获得紫外辐照带来的能量，进而在断裂处发生聚合反应，提升了交联密度以及生成氧化硅等物质［10］。无机氧化物含量提高，涂层整体耐热性提高。而经历电子与质子辐照后的SCB-1 涂层热失重曲线与失重变化曲线中均与未经辐照的SCB-1 涂层无明显区别，能量作用有限。在DTG 曲线中可同样证明紫外促使SCB-1 有机硅树脂转化为无机产物，促使涂层的最高失重温度向高温方向偏移。

对不同辐照试验后的SCB-1 涂层进行结合力测试，如图8所示。由于三个涂层样品试片厚度均低于80 µm，因此采用1 mm 专用漆膜划格刀进行检测。经划格试验后，SCB-1 涂层与PNC 黑漆涂层试片的结合力均为1 级。证明了真空-紫外、电子及质子辐照作用在涂层的表层与浅表层，对涂层与基材的结合力性能不产生影响。