Терморегулирующее покрытие на основе неорганического класса "истинный поглотитель"

Терморегулирующее покрытие на основе неорганического класса "истинный поглотитель"

Реферат

Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к покрытиям пассивной терморегуляции класса «истинный поглотитель» («ИП») с антистатическими свойствами, низким газовыделением, с повышенной стойкостью к воздействию факторов космического пространства (ФКП) (протонное, электронное излучение, ультрафиолетовое излучение, термоперепады в вакууме), наносимых на наружную поверхность космических аппаратов для поддержания определенного теплового режима.

Терморегулирующие покрытия (ТРП) в конструкциях космических аппаратов (КА) являются элементами внешних покрытий (ВП) и входят в систему пассивной терморегуляции. Назначение ВП КА - обеспечение расчетных величин внешних тепловых нагрузок от излучения Солнца и планет и сброс тепла в космическое пространство.

Определяющими характеристиками ТРП являются коэффициент поглощения солнечного излучения α_s, для ТРП «ИП» α_s→1 и коэффициент теплового излучения (степень черноты) ε для ТРП «ИП» ε→1.

К терморегулирующим материалам и покрытиям предъявляются повышенные требования радиационной стойкости, в части сохранения термооптических характеристик в период всего срока эксплуатации, и по величине газовыделения в связи с большой площадью, занимаемой этими материалами на поверхности КА.

Длительная и безопасная работа КА в значительной степени определяется способностью ТРП сохранять или изменять в прогнозируемом пределе служебные характеристики в процессе эксплуатации, т.е. стойкость материалов к воздействию ФКП (протонное, электронное излучение, ультрафиолетовое излучение, термоперепады в вакууме).

Превышение требований ГОСТ Р 50109-92 по газовыделению приводит к оседанию легкоконденсируемых веществ (ЛКВ) на поверхностях оптических приборов, что отражается на работе аппаратуры, находящейся на борту КА. Низкое газовыделение (общая потеря массы ≤1,0%, ЛКТ≤0,1%) приведет к снижению загрязнения оптических поверхностей КА.

К покрытиям КА, находящихся на орбитах, проходящих через радиационные пояса Земли, предъявляется требование по удельному объемному электрическому сопротивлению (ρ_v≤10⁵ Ом·м). Адгезия покрытия к материалу подложки должна быть не ниже 2 баллов.

В настоящее время усилия разработчиков в области космического материаловедения направлены на создание и разработку принципиально новых компонентов и ТРП на их основе, устойчивых к воздействию ФКП при длительных сроках активного существования КА (15 и более лет) как на низких до 400-600 км, так и для геостационарных и высокоэллиптических орбит.

Из патентной литературы известны терморегулирующие покрытия классов «солнечный отражатель» (см. RU 2248954 C2, C04B 41/87, B64G 1/58, см. RU 2421490 C1, C09D 1/02, C09D 5/24, C09D 5/33) и «истинный поглотитель» (см. RU 2216557, C1 C09D 1/02, C04B 28/26), в состав которых входит силикатное связующее в виде калий-кремнекислого водного раствора. Данные составы ТРП имеют высокую радиационную стойкость к ультрафиолетовому излучению, могут быть использованы в системах пассивного терморегулирования космических аппаратов.

В патенте RU 2216557 C1, принятом за прототип, описан состав, состоящий из силикатного связующего в виде калий-кремнекислого раствора с модулем 3,5-4,0 в количестве 47-60 мас.ч. и магнетита в количестве 40-53 мас.ч. Данное терморегулирующее покрытие имеет высокое значение коэффициента поглощения солнечного излучения α_s=0,97-0,98. Недостатками данного терморегулирующего покрытия является невысокий для класса «истинный поглотитель» коэффициент теплового излучения ε=0,90 и отсутствие антистатических свойств.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка терморегулирующего покрытия класса «истинный поглотитель» с улучшенным коэффициентом теплового излучения ε=0,95 и удельным объемным электрическим сопротивлением p_v<10³ Ом·м.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение технологичного покрытия с коэффициентом поглощения солнечного излучения α_s≥0,98, низким газовыделением по ГОСТ Р 50109 (потеря массы не более 1,0%, летучие конденсирующиеся вещества не более 0,1%), устойчивого к воздействию ФКП при длительных сроках активного существования КА.

Поставленная задача достигается тем, что терморегулирующее покрытие класса «истинный поглотитель», включающее неорганическое силикатное связующее и магнетит, при этом в качестве неорганического силикатного связующего содержит водный раствор лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4 и дополнительно в качестве пигментов и наполнителей Co₃O₄, BaAl₂O₄ в следующих массовых соотношениях, мас.ч.:

неорганическое силикатное связующее -
литий кремнекислый с модулем 2,9-3,4	1,0
магнетит	от 2,90 до 4,00
Co3O4	от 2,00 до 3,50
BaAl2O4	от 0,10 до 0,80
разбавитель - вода дистиллированная	до требуемой вязкости

Основным преимуществом применения жидких стекол в качестве пленкообразующего связующего для терморегулирующих покрытий является отсутствие проблем, связанных с дегазацией, т.к. они не содержат органических растворителей. Пленки водного раствора лития кремнекислого имеют газовыделение ПМ=0,15%, ЛКВ=0,02%, что отвечает требованиям ГОСТ Р 50109 (ПМ≤1,0%, ЛКВ≤0,1%), радиационную стойкость к воздействию протонного излучения при флюенсе протонов ≈10¹⁶ см^-2 Δα_s=0,08 и удельное объемное электрическое сопротивление ρ_v=6,79·10⁵ Ом·м.

Для создания ТРП класса «истинный поглотитель» используются пигменты и наполнители черного цвета. Опробованные эмалевые композиции с разным наполнением и соотношением компонентов наносились на подложки из алюминиевого сплава АМгб методом пневматического распыления.

Пример 1

Изготовлена эмалевая композиция на основе водного раствора лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4-1,0 мас.ч., пигментов и наполнителей, мас.ч.:

магнетит	4,00
Co3O4	3,40
BaAl2O4	0,80
вода дистиллированная	3,00

Получена пастообразная высоковязкая, более 100 с по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости») нетехнологичная композиция, выгрузка из диспергирующего оборудования затруднена.

Пример 2

Изготовлена эмалевая композиция на основе водного раствора лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4-1,0 мас.ч., пигментов и наполнителей, мас.ч.:

магнетит	3,40
Co3O4	2,80
BaAl2O4	0,50
вода дистиллированная	5,00

Эмалевая композиция имеет оптимальную вязкость, от 20 до 45 с по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости») для изготовления на диспергирующем оборудовании.

Покрытие на основе данной рецептуры имеет коэффициент поглощения солнечного излучения α_s=0,980, коэффициент теплового излучения ε=0,95, удельное объемное электрическое сопротивление ρ_v=5·10² Ом·м, адгезия равна 1 балл. Минимальная толщина покрытия составляет 145-155 мкм.

Пример 3

Изготовлена эмалевая композиция на основе водного раствора лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4-1,0 мас.ч., пигментов и наполнителей, мас.ч.:

магнетит	2,90
Co3O4	2,00
BaAl2O4	0,10
вода дистиллированная	5,50

Эмалевая композиция имеет вязкость менее 20 с по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости»). Снижение вязкости композиции вызывает невозможность диспергирования из-за большого содержания воды.

Требуемая вязкость композиции зависит от способа нанесения терморегулирующего покрытия на окрашиваемую поверхность и регулируется количеством разбавителя (вода дистиллированная) в пределах 3,5-5 мас.ч.

Разработанное лакокрасочное ТРП обладает следующими характеристиками:

- жизнеспособность эмалевой композиции до нанесения составляет не менее 6 месяцев;

- покрытие технологично, легко наносится и ремонтируется в случае повреждения;

- для нанесения покрытия используется унифицированное окрасочное оборудование;

- не требуется дегазация при отверждении покрытия;

- толщина покрытия составляет 145-155 мкм;

- газовыделение покрытия составляет: реальная потеря массы равна 0,07%, содержание летучих конденсирующих веществ равно 0,02%, что соответствует требованиям ГОСТ Р 50109;

- после воздействия знакопеременных температур от минус 150°C до плюс 150°C изменение коэффициента поглощения солнечного излучения α_s составляет 0,002, коэффициент теплового излучения ε и удельное электрическое сопротивление ρ_v покрытия остаются без изменений, адгезия равна 2 балла, внешний вид покрытия остается без изменений (черное матовое покрытие, без включений и трещин);

- после комплексного воздействия факторов космического пространства, имитирующих эксплуатацию КА в течение 15 лет, коэффициент поглощения солнечного излучения α_s практически не изменяется и, начиная с флюенса протонов 10¹⁶ см^-2 до флюенса 10¹⁷ см^-2, остается постоянным и равным 0,98, коэффициент излучения ε практически не изменяется и остается в пределах 0,95; конечное значение удельного объемного сопротивления ρ_v не превышает значение 10³ Ом·м; внешний вид покрытия после испытаний остается без изменений (черное матовое покрытие, без включений и трещин).

Таким образом, предлагаемое терморегулирующее покрытие превосходит прототип по оптическим (коэффициент теплового излучения ε), электрофизическим (удельное электрическое сопротивление ρ_v), адгезионным свойствам и жизнестойкости эмалевой композиции перед нанесением, см. табл. 1.

Таблица 1
Параметры терморегулирующего покрытия	Предлагаемый состав	Состав из патента RU 2216557 С1 (прототип)
Коэффициент поглощения солнечного излучения, αs	0,98	0,97-0,98
Коэффициент теплового излучения, ε	0,95	0,90
Удельное объемное электрическое сопротивление, ρv, Ом·м	≤103	-
Адгезия по ГОСТ 15140, метод 4, балл	1	2
Адгезия по ГОСТ 27890, МПа	28-35	-
Жизнестойкость эмалевой композиции перед нанесением, мес	6	-
Газовыделение по ГОСТ Р 50109,
ПМ, %	0,07	-
ЛКМ, %	0,02	-

Терморегулирующее покрытие класса «истинный поглотитель», включающее неорганическое силикатное связующее и магнетит, отличающееся тем, что в качестве неорганического силикатного связующего содержит водный раствор лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4 и дополнительно в качестве пигментов и наполнителей - Co₃O₄, BaAl₂O₄ при следующем массовом соотношении, мас.ч.:

неорганическое силикатное связующее -
литий кремнекислый с модулем 2,9-3,4	1,0
магнетит	от 2,90 до 4,00
Co3O4	от 2,00 до 3,50
BaAl2O4	от 0,10 до 0,80
разбавитель - вода дистиллированная	до требуемой вязкости