深空輻射環(huán)境對(duì)高吸收率消雜光涂層的性能影響

張家強(qiáng) 牛 虎 楊佑健 孫浩然 平 托

（1 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190）

（2 中國(guó)航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

文 摘 為了研究深空輻射環(huán)境對(duì)SCB-1 型空間高吸收率消雜光涂層的太陽(yáng)光譜吸收性能影響。采用5 000 ESH 劑量的真空-紫外、2.5×1015 p∕cm2 注量的真空-質(zhì)子和2.5×1016 e∕cm2 注量的真空-電子依次對(duì)SCB-1消雜光涂層進(jìn)行串聯(lián)輻照試驗(yàn)，分析各項(xiàng)輻照試驗(yàn)前后消雜光涂層外觀、太陽(yáng)吸收比αs及半球發(fā)射率εH的變化情況。并采用熱失重分析（Thermal Gravity Analysis）判斷消雜光涂層受輻照試驗(yàn)后的分解情況與熱穩(wěn)定性變化。經(jīng)串聯(lián)輻照試驗(yàn)后，SCB-1 消雜光涂層全波段太陽(yáng)吸收比總變化值Δαs下降了0.011～0.012，400～1 100 nm 波段太陽(yáng)吸收比總變化值Δαs下降了0.011～0.013，以上三項(xiàng)串聯(lián)輻照過(guò)程中SCB-1 消雜光涂層的半球發(fā)射率總變化值ΔεH無(wú)明顯變化。SCB-1 消雜光涂層呈現(xiàn)了極佳的深空輻射環(huán)境下的消雜光持久性，可對(duì)未來(lái)深空探測(cè)領(lǐng)域的光學(xué)技術(shù)發(fā)展提供有力支持。

0 引言

探測(cè)恒星等暗目標(biāo)的光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)星敏感器與獲取地球目標(biāo)信息的光學(xué)傳感器系統(tǒng)空間相機(jī)，均對(duì)深空中存在的雜散光極為敏感。雜散光基本來(lái)自地氣光、月亮光和太陽(yáng)光這類(lèi)成像外的強(qiáng)光，其中太陽(yáng)光是雜散光最主要的來(lái)源，其對(duì)比7.5 等星，可達(dá)到1013以上的強(qiáng)度。當(dāng)空間光學(xué)系統(tǒng)受到這些光線(xiàn)的干擾后，內(nèi)部各元部件會(huì)對(duì)接觸到雜散光產(chǎn)生二次反射或衍射，出現(xiàn)多余的非成像光線(xiàn)，形成“噪聲”。“噪聲”不僅會(huì)影響成像信噪比、對(duì)比度與識(shí)別精度，甚至?xí)诔上裣衩嫔铣尸F(xiàn)光斑，最?lèi)毫拥那闆r下，還會(huì)淹沒(méi)目標(biāo)圖像。因此，雜散光抑制是后續(xù)高等星探測(cè)與超高分辨率光譜呈像發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題［1-4］。

“十三五”及其后續(xù)航天器對(duì)高精度姿態(tài)定位、高精度光譜成像等提出了更高要求，對(duì)超高吸收率消雜光涂層提出了太陽(yáng)吸收比不小于0.98的技術(shù)要求。涂層太陽(yáng)吸收比由0.97 提升至0.98，在不改變成像產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，到達(dá)產(chǎn)品探測(cè)面的雜光能量將下降50%以上，光學(xué)系統(tǒng)的信噪比提升約2 倍，可以極大的提高系統(tǒng)的靈敏度和信號(hào)探測(cè)能力。目前廣泛應(yīng)用的進(jìn)口PNC 黑漆太陽(yáng)吸收比為0.97，已不能滿(mǎn)足后續(xù)極高精度星敏感器、高精度光學(xué)相機(jī)等產(chǎn)品的雜散光抑制要求。

北京衛(wèi)星制造廠有限公司開(kāi)發(fā)了一種適用于空間環(huán)境的高吸收率消雜光涂層（SCB-1 涂層），200～2 500 nm 下太陽(yáng)吸收比αs≥0.98，目前短期內(nèi)在軌應(yīng)用狀態(tài)良好，可以滿(mǎn)足后續(xù)消雜光技術(shù)要求。但消雜光涂層應(yīng)用的遙感相機(jī)或星敏感器等光學(xué)儀器會(huì)長(zhǎng)期暴露在空間環(huán)境中，會(huì)長(zhǎng)期直接與深空中能量極高的真空-紫外或真空-質(zhì)、電子接觸，這些輻照物質(zhì)可能會(huì)造成涂層材料的光學(xué)吸收性能與耐熱性能退化［5-7］，以及導(dǎo)致涂層發(fā)生凋落或開(kāi)裂等情況，更嚴(yán)重的情況下，還會(huì)發(fā)生凋落的涂層附著到光學(xué)鏡頭表面干擾成像［8-9］。

為研究長(zhǎng)期的深空輻射環(huán)境是否會(huì)對(duì)SCB-1 涂層造成性能退化，本文針對(duì)SCB-1 涂層開(kāi)展深空環(huán)境下的模擬輻照測(cè)試，以此來(lái)判定SCB-1 消雜光涂層長(zhǎng)期抵御深空輻射環(huán)境后的光學(xué)性能與耐熱性能退化情況。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層試樣制做

（1）涂層成分及來(lái)源：SCB-1 高吸收率消雜光涂層為自研產(chǎn)品，PNC黑漆購(gòu)買(mǎi)自法國(guó)MAP公司，兩者主成分均為炭黑填料與有機(jī)硅類(lèi)樹(shù)脂粘接劑等物質(zhì)，交聯(lián)劑采用硅酸四乙酯，采用有機(jī)錫類(lèi)催化劑，二甲苯為溶劑。

（2）實(shí)驗(yàn)試樣制作：使用尺寸為30 mm×30 mm×1 mm、牌號(hào)為5A06的鋁合金試片為涂裝基材，對(duì)基材進(jìn)行本色導(dǎo)電陽(yáng)極化處理。采用0.15 MPa 的空氣壓力，以噴涂方法進(jìn)行SCB-1 消雜光涂層和PNC 涂層試樣的制作，噴涂5～7 遍，陰干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 與PNC 黑漆的空間級(jí)消雜光涂層試樣。

1.2 空間模擬輻照實(shí)驗(yàn)方法

選取3 個(gè)SCB-1 涂層試樣與1 個(gè)PNC 黑漆涂層試樣，以串聯(lián)的方式依次進(jìn)行真空-紫外輻照、真空-電子輻照及真空-質(zhì)子輻照試驗(yàn)。真空-紫外輻照試驗(yàn)過(guò)程中選取7個(gè)輻照劑量點(diǎn)，真空-電子及真空-質(zhì)子輻照過(guò)程中各選取5個(gè)輻照劑量點(diǎn)，對(duì)以上劑量點(diǎn)下的涂層進(jìn)行太陽(yáng)吸收比與半球發(fā)射率的測(cè)試，觀察涂層變化情況。真空-紫外輻照總量為5 000 ESH，真空-電子輻照注量為2.5×1016e∕cm2，真空-質(zhì)子輻照注量為2.5×1015p∕cm2，每項(xiàng)輻照試驗(yàn)均采用分段測(cè)試試片表面涂層熱輻射性能并在輻照試驗(yàn)最后觀察涂層外觀狀態(tài)的方法；試驗(yàn)設(shè)備與試片放置狀態(tài)如圖1與圖2所示。

圖1 真空-紫外輻照設(shè)備與試片擺放狀態(tài)Fig.1 Vacuum-UV irradiation equipment and the placement of test plates

圖2 真空-質(zhì)子電子輻照設(shè)備與試片擺放狀態(tài)Fig.2 Vacuum-proton＆electron irradiation equipment and the placement of test plates

1.3 消雜光涂層性能檢測(cè)方法

消雜光涂層的太陽(yáng)吸收比αS及半球發(fā)射率εH的測(cè)試依據(jù)GJB2502.02—2006 與GJB2502.03—2006；消雜光涂層外表面狀態(tài)檢驗(yàn)方法按GJB 2704A—2006 進(jìn)行，熱失重檢測(cè)采用美國(guó)PE 公司的TG∕DTA 6300 熱失重分析儀，消雜光涂層輻照后結(jié)合力的檢測(cè)方法按GB∕T9286—1998 進(jìn)行，根據(jù)涂層厚度范圍采用1 mm專(zhuān)用漆膜劃格刀進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果及分析

SCB-1 涂層經(jīng)真空-紫外、真空-質(zhì)子以及真空-電子輻串聯(lián)照后，涂層太陽(yáng)吸收比與半球發(fā)射率性能變化數(shù)據(jù)如表1所示。三項(xiàng)串聯(lián)輻照后，涂層全波段200～2 500 nm 的太陽(yáng)吸收比αS下降了0.011～0.012，400～1 100 nm 太陽(yáng)吸收比αS下降了0.011～0.013，半球發(fā)射率εH變化相對(duì)較小，屬于測(cè)量誤差范圍內(nèi)。PNC 黑漆在200～2 500 nm 的太陽(yáng)吸收比αS降低0.011，400～1 100 nm 太陽(yáng)吸收比αs400～1100nm降低0.012，半球發(fā)射率εH同樣未發(fā)生明顯變化。

表1 經(jīng)真空-紫外、電子、質(zhì)子輻照前后的SCB-1與PNC消雜光涂層吸收發(fā)射數(shù)據(jù)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 涂層太陽(yáng)吸收比過(guò)程測(cè)試?yán)塾?jì)點(diǎn)的曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 真空-紫外、電子及質(zhì)子串聯(lián)輻照過(guò)程中SCB-1與PNC涂層太陽(yáng)吸收比變化Fig.3 The αs of SCB-1 and PNC coatings during the vacuum-UV，the vacuum-electron and the vacuum-proton irradiation

涂層在0 ESH 至3 000 ESH 時(shí)太陽(yáng)吸收比降低較為顯著，而3 000 ESH 后，涂層αS降低趨勢(shì)停止，開(kāi)始保持，無(wú)明顯變化；各項(xiàng)輻照測(cè)試后的PNC 黑漆與SCB-1 涂層200～2 500 nm 波段光譜吸收變化曲線(xiàn)如圖4、圖5所示，曲線(xiàn)呈整體降低，450～800 nm 波段吸收曲線(xiàn)降低顯著，與表2 中Δαs值較低于Δαs400～1100nm值的數(shù)據(jù)結(jié)果。真空-電子輻照階段，SCB-1 涂層與PNC 黑漆均無(wú)明顯變化，而到了真空-質(zhì)子輻照階段，SCB-1 涂層與PNC 黑漆涂層200～2 500 nm 波段下的太陽(yáng)吸收比αs與400～1 100 nm 波段下的太陽(yáng)吸收比αs400～1100nm數(shù)值均先較小程度的降低，再趨于穩(wěn)定。這可能是由于電子的粒徑、質(zhì)量較質(zhì)子更小，轟擊后作用于涂層的深度高于質(zhì)子，所以對(duì)涂層外表面的太陽(yáng)吸收比αs的影響也較小。

圖4 真空-紫外、真空-電子及真空-質(zhì)子串聯(lián)輻照前后SCB-1涂層太陽(yáng)光譜吸收曲線(xiàn)Fig.4 The solar spectral curve of SCB-1 coatings before and after the test during vacuum-UV，vacuum-electron and vacuumproton irradiation

圖5 真空-紫外、真空-電子及真空-質(zhì)子串聯(lián)輻照前后PNC涂層太陽(yáng)光譜吸收曲線(xiàn)Fig.5 The solar spectral curve of PNC coatings before and after the test during vacuum-UV，vacuum-electron and vacuumproton irradiation

SCB-1涂層經(jīng)三項(xiàng)串聯(lián)輻照前后外觀狀態(tài)如圖6所示，涂層在試件表面均未發(fā)現(xiàn)脫落與露底現(xiàn)象，但涂層外觀顏色均明顯變淺，由深黑色轉(zhuǎn)為黑灰色，PNC涂層外觀變化較大，由深黑色轉(zhuǎn)化為灰色。但涂層均未出現(xiàn)開(kāi)裂、露底基材現(xiàn)象。對(duì)真空-紫外、電子及真質(zhì)子連續(xù)輻照后的SCB-1涂層進(jìn)行熱失重測(cè)試，熱失重（TG）曲線(xiàn)與失重變化曲線(xiàn)（DTG）見(jiàn)圖7。

圖6 真空-紫外、電子及質(zhì)子輻照前后SCB-1與PNC涂層外觀狀態(tài)Fig.6 Appearance state of the SCB-1and PNC coatings before and after the series of irradiation testing.

圖7 經(jīng)歷不同輻照試驗(yàn)前后SCB-1的TG曲線(xiàn)與DTG曲線(xiàn)Fig.7 The TG and DTG curves of SCB-1 coatings before and after irradiation in different space environments

可看出未經(jīng)輻照試驗(yàn)的SCB-1 涂層失重5%的溫度在290 ℃，經(jīng)歷了紫外輻照后的SCB-1涂層失重5%的溫度達(dá)到445 ℃，這種失重溫度提高的原因是由于高能紫外輻照促使有機(jī)硅樹(shù)脂的側(cè)甲基斷裂，同時(shí)有機(jī)硅樹(shù)脂在斷裂處獲得紫外輻照帶來(lái)的能量，進(jìn)而在斷裂處發(fā)生聚合反應(yīng)，提升了交聯(lián)密度以及生成氧化硅等物質(zhì)［10］。無(wú)機(jī)氧化物含量提高，涂層整體耐熱性提高。而經(jīng)歷電子與質(zhì)子輻照后的SCB-1 涂層熱失重曲線(xiàn)與失重變化曲線(xiàn)中均與未經(jīng)輻照的SCB-1 涂層無(wú)明顯區(qū)別，能量作用有限。在DTG 曲線(xiàn)中可同樣證明紫外促使SCB-1 有機(jī)硅樹(shù)脂轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)產(chǎn)物，促使涂層的最高失重溫度向高溫方向偏移。

對(duì)不同輻照試驗(yàn)后的SCB-1 涂層進(jìn)行結(jié)合力測(cè)試，如圖8所示。由于三個(gè)涂層樣品試片厚度均低于80 μm，因此采用1 mm 專(zhuān)用漆膜劃格刀進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)劃格試驗(yàn)后，SCB-1 涂層與PNC 黑漆涂層試片的結(jié)合力均為1 級(jí)。證明了真空-紫外、電子及質(zhì)子輻照作用在涂層的表層與淺表層，對(duì)涂層與基材的結(jié)合力性能不產(chǎn)生影響。

圖8 經(jīng)歷不同輻照試驗(yàn)后的SCB-1與PNC涂層的結(jié)合力Fig.8 The bonding test of the PNC and SCB-1 coatings after irradiation testing

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)了真空-紫外、真空-電子及真空-質(zhì)子的連續(xù)輻照后，SCB-1消雜光涂層太陽(yáng)吸收比與半球發(fā)射率變化較小。三項(xiàng)試驗(yàn)后的太陽(yáng)吸收比（αs）降低最大值僅為0.012，半球發(fā)射率（εH）降低最大值為0.01，涂層均未發(fā)生露底或脫落現(xiàn)象，結(jié)合力良好，體現(xiàn)了SCB-1消雜光涂層具備較佳的空間環(huán)境穩(wěn)定性。