BN-1 超高吸收导电消光镀层性能及其空间环境稳定性研究

程德，王景润，覃业深，赵潋景，郭中增，王旭光，白晶莹，李思振

（北京卫星制造厂有限公司，北京 100094）

光学构件表面的杂散光会干扰光学相机、星敏感器对正常光学信号的捕捉，从而影响到航天器光学成像的质量以及姿轨控精度[1-2]。为消除内部光线的漫反射等杂散光的影响，光学相机、星敏感器等光学构件表面应镀覆黑色等具有高吸收率的消杂光功能涂镀层。

作为航天器光学构件的关键材料之一，国内外对消杂光功能涂镀层开展了大量研究[3-13]。英国公司开发的Super Black 涂层和Vanta Black 涂层的太阳吸收比αs>0.99，俄罗斯开发的AK-512 涂层、AK-243 涂层以及美国公司开发的Marting Black 涂层、J-black涂层等也实现了应用。我国航天器光学构件应用的多为进口消杂光涂层产品，涂层αs约为0.97。在航天器光学构件消杂光技术研究方面，国内单位以北京卫星制造厂有限公司、中国科学院上海有机化学研究所等单位为主，消杂光技术主要包括铝合金超黑阳极氧化、电镀黑镍、黑铜以及黑色热控涂层等，αs为0.92～0.97。

基于型号研制需求，本项目组开展了BN-1 镀层制备技术研究，以解决航天器光学构件表面导电消光表面处理的需求，BN-1 镀层αs>0.98，接触电阻<5 mΩ，应用状态良好。本文对BN-1 镀层的微观结构、导电消光性能进行了表征，并针对航天器近地轨道环境中存在的大量原子氧以及高真空下的紫外辐照对镀层性能的影响开展了BN-1 镀层空间抗辐照性能测试，从而判断BN-1 镀层的空间环境稳定性。

1 实验

1.1 BN-1 镀层试样制备

BN-1 镀层采用微纳刻蚀的方法在化学镀层表面制备微纳消光结构，在具备超高吸收性能的前提下，保留镀层的导电性。BN-1 为镀层代号。

试验样品为铝合金试片，牌号为2A12T4，规格为40 mm×40 mm×2 mm。按照工艺流程“有机溶剂除油→碱洗→酸洗→浸锌→镀层制备→微纳刻蚀”，制备BN-1 导电消光镀层。其中有机溶剂除油为无水乙醇擦拭除油；碱洗溶液为15～25 g/L 的氢氧化钠溶液，溶液温度为70～80℃，碱洗时间为60～90 s；酸洗溶液为300～400 g/L 的硝酸溶液，溶液温度为常温，酸洗时间为60～120 s；浸锌溶液组分为氢氧化钠110～120 g/L、氧化锌 20～25 g/L、硝酸钠 1～2 g/L、酒石酸钾钠20～25 g/L，溶液温度为常温，浸锌时间为30～60 s。通过镀覆后刻蚀获得具有毛绒状“光陷阱”的微纳尺度导电消光镀层结构，所得导电消光镀层厚度为10～15 μm。

1.2 测试分析方法

镀层微观形貌通过ZEISS SUPER 55VP 型SEM观察。三维形貌通过VK-X200 激光3D 显微镜进行表征。采用INCA 能谱仪半定量分析镀层元素含量。

镀层导电性能采用接触电阻测试仪按照QJ 1827《低阻值金属镀覆层和化学转换膜层接触电阻测试方法》进行测量。

镀层消光性能采用太阳吸收比αs进行表征，αs是吸收与入射的太阳辐射能通量之比，采用UV3100 分光光度计测试，测试方法按照GJB 2502.2—2006《航天器热控涂层试验方法 第2 部分：太阳吸收比测试》执行。

辐照试验测试试样耐原子氧和真空-紫外辐照情况，按照GJB 2502 的规定执行，具体试验条件如下。

1）原子氧辐照试验条件：真空度优于1.3×10–3Pa；辐照总通量为 2.0×1021atoms/cm2，通量为 5.0×1015atoms/(cm2·s)，加速因子为5。测试辐照前后镀层的αs。

2）真空-紫外辐照试验条件：真空度优于1.3×10–3Pa，辐照剂量为5000 ESH（当量太阳小时），加速因子为5。测试辐照前后镀层的αs。

2 结果及分析

2.1 BN-1 镀层的微观形貌及元素组成

BN-1 镀层的外观如图1 所示，为均匀的深黑色。BN-1 镀层刻蚀前后的微观SEM 形貌如图2 所示。可以看出，镀层刻蚀前为致密的胞状结构，刻蚀后镀层表面均布大量微小的绒毛状结构，绒毛结构介于微米与纳米尺度之间。BN-1 镀层刻蚀前后的三维光学微观形貌如图3 所示。镀层刻蚀后表面粗糙，镀层结构与SEM 照片结果基本一致。BN-1 镀层刻蚀前后的元素组成如图4 所示。刻蚀前，镀层以Ni、P 元素为主要成分；刻蚀后，镀层中除了Ni、P 元素外，还出现了O 元素，说明刻蚀后形成了一定量的Ni、P 氧化物。由此推断出，BN-1 镀层所具有的微纳尺度绒毛状“光陷阱”结构，是镀层具备超高吸收消杂光性能的结构基础，而氧化物的出现为镀层实现超高吸收消杂光提供了物质基础。

图1 BN-1 镀层外观Fig.1 Photos of BN-1 coating

图2 BN-1 镀层微观形貌Fig.2 SEM images of BN-1 coating: a) before etching; b) after etching

图3 BN-1 镀层光学3D 微观形貌Fig.3 3D optic images of BN-1 coating: a) before etching; b) after etching

图4 BN-1 镀层成分Fig.4 Element composition of BN-1 coating: a) before etching; b) after etching

2.2 BN-1 镀层的导电消光性能

10 个批次连续生产的BN-1 镀层的接触电阻测试结果如图5 所示。由图5 可以看出，镀层接触电阻为2～3 mΩ，能够满足多数光学构件对镀层导电性能的需求。镀层接触电阻的测试数据随镀层批次变化不大，说明用镀层刻蚀法制备的超高吸收导电消光镀层的接触电阻稳定性好，工艺稳定性较高。

图5 BN-1 镀层接触电阻批次稳定性Fig.5 Stability of batches of BN-1 coating contact resistance

200～2500 nm 波段BN-1 镀层的吸收率变化如图6 所示，10 个批次连续生产的BN-1 镀层的αs测试结果如图7 所示。由图6、图7 可以看出，镀层αs>0.98，且随镀层批次变化不大。这说明镀层刻蚀法制备的BN-1 镀层的消光性能稳定性好，工艺稳定性较高。

图6 BN-1 镀层的吸收率变化光谱Fig.6 Absorption spectrum of the BN-1 coating

图7 BN-1 镀层太阳吸收比批次稳定性Fig.7 Stability of batches of BN-1 coating solar absorption ratio

2.3 空间辐照环境对BN-1 镀层的影响

2.3.1 原子氧对BN-1 镀层性能的影响

在航天器低轨道环境中，氧气在紫外等作用下能够电离为具有极强氧化能力和高速碰撞能量的原子氧。原子氧对材料表面的高温氧化、高速撞击伴随着提取、添加、置换、析出、嵌入等过程，会使大部分有机材料含有的C、H、O、N、S 分子键发生断裂，生成CO、CO2、水蒸气等气相挥发物，造成材料质损、光学性质、热学性质等性能参数退化，材料的物理、化学性质发生变化，影响航天器的正常运行[14-20]。BN-1 镀层是具有超高吸收性能的无机热控镀层，为了满足航天器长寿命服役要求，有必要对其耐原子氧性能进行考察。

原子氧试验前后镀层的外观状态如图8 所示。图8 表明，原子氧试验后，BN-1 镀层状态良好，为均匀的深黑色，未发现起皮、开裂、脱落等现象。原子氧试验后镀层的微观形貌如图9 所示。从SEM 照片可以看出，原子氧辐照后，镀层的绒毛状消光结构完好，没有脱落退化的迹象。BN-1 镀层原子氧暴露前后的吸收率变化光谱见图10。BN-1 镀层原子氧实验前后αs的变化见表1。由上述结果可知，随着辐照剂量的增加，BN-1 镀层的αs逐渐降低，降速由快变慢，从0.9830 下降至0.9781，Δαs=0.0049。原子氧辐照前后BN-1 镀层αs变化值不超过0.01，说明BN-1 镀层性能相对稳定，具有较好的耐原子氧性能。这是由于BN-1 镀层是由无机Ni、P 及其氧化物形成的镀层，在原子氧辐照实验中性质稳定，原子氧不会对Ni、P及其氧化物造成明显的物理、化学性质改变。

图8 原子氧辐照前后BN-1 镀层外观状态Fig.8 Appearance state of the BN-1 coating before and after AO exposure: a) before AO exposure; b) after AO exposure

图9 原子氧辐照后BN-1 镀层微观形貌Fig.9 SEM images of BN-1 coating after AO exposure

图10 BN-1 镀层原子氧辐照过程的吸收率变化光谱Fig.10 Absorption spectrum of the BN-1 coating during AO exposure

表1 BN-1 镀层原子氧暴露前后的αs 变化Tab.1 αs value of the BN-1 coating before and after AO exposure

2.3.2 真空-紫外辐照对BN-1 镀层性能的影响

在航天器的真空轨道环境中，虽然紫外光占太阳辐射总能量的百分比较小，但是真空-紫外辐照是造成航天器热控涂层老化变色、光学性能下降的重要原因[21-25]。基于航天器长寿命服役方面的考虑，有必要对其耐真空-紫外性能进行研究。

真空-紫外辐照试验前后镀层的外观状态如图11所示。图11 表明，真空-紫外辐照试验后，BN-1 镀层状态良好，为均匀的深黑色，未发现起皮、开裂、脱落等现象。从真空-紫外辐照试验后镀层的SEM 照片（见图12）可以看出，真空-紫外辐照后，镀层的绒毛状消光结构完好，没有脱落退化的迹象。图13给出了BN-1 镀层真空-紫外暴露前后的吸收率变化光谱图。BN-1 镀层真空-紫外实验前后αs的变化见表2。由上述结果可知，在辐照的不同阶段，BN-1 镀层的αs较为稳定。当辐照剂量达到5000 ESH 时，BN-1 镀层αs出现轻微上升。紫外辐照前后，BN-1 镀层的αs从0.9823 增加至0.9832，Δαs<0.01，说明BN-1 镀层性能相对稳定，具有较好的抗紫外辐照性能。这也说明由无机Ni、P 及其氧化物形成的BN-1 镀层，在真空-紫外辐照实验中性质稳定，真空-紫外辐照不会对Ni、P 及其氧化物造成明显的物理、化学性质改变。

图11 真空-紫外辐照前后BN-1 镀层外观状态Fig.11 Appearance state of the BN-1 coating before and after VUV irradiation: a) before VUV irradiation; b) after VUV irradiation

图12 真空-紫外辐照后BN-1 镀层的微观形貌Fig.12 SEM images of BN-1 coating after VUV irradiation

图13 真空-紫外辐照前后BN-1 镀层的吸收率变化光谱Fig. 13 Absorption spectrum of BN-1 coating before and after VUV irradiation

表2 真空紫外辐照前后BN-1 镀层的αs 变化Tab.2 αs value of BN-1 coating before and after VUV irradiation

3 结论

本研究对BN-1 镀层进行了微观形貌、导电消光性能、原子氧及真空-紫外辐照模拟试验。通过分析，得出以下结论：

1）BN-1 镀层通过刻蚀在化学镀层表面获得了微纳尺度的绒毛状消光结构，αs>0.98，镀层接触电阻<5 mΩ，具有优异的导电消光性能。

2）BN-1 镀层的αs随着原子氧辐照剂量的增加逐渐降低，从0.9830 下降至0.9781，αs变化不超过0.01，说明镀层性能相对稳定，具有较好的耐原子氧性能。

3）BN-1 镀层在真空-紫外辐照过程中，αs较为稳定。当辐照剂量达到5000 ESH 时，αs出现轻微上升趋势。紫外辐照前后，BN-1 镀层的αs从0.9823 增加至0.9832，说明紫外辐照后镀层性能退化较小，BN-1 镀层具有优异的抗紫外辐照性能。

4）综合原子氧与真空紫外辐照试验结果来看，BN-1 镀层空间环境稳定性优异，满足航天器光学构件长寿命在轨运行应用需求。