[发明专利]一种基于光子晶体的OSR热控涂层

说明书

本发明涉及热控涂层技术领域，更具体而言，涉及一种基于光子晶体的OSR热控涂层，由发射层、紫外光反射层、可见红外光反射层组成，紫外光反射层作为连接层，可见红外光反射层中介质C作为隔离层，保障了光子晶体较强的附着力和环境适应性，实现太阳能紫外‑可见‑红外全光谱高反射的同时，实现其太阳能宽光谱低吸收，同时，保持了其原有OSR热控涂层高发射的物理特性，采用光子晶体对于禁带频域的电磁波的态密度较低，降低其电磁波与有损耗介质和吸收介质相互作用，以降低航天器接收的太阳能辐射热，降低航天器表面的温度，最终实现了200 nm‑2000 nm的禁带特性，拓宽了光子晶体的禁带宽度。原本技术在红外波段的禁带宽度为最宽为200 nm左右。

技术领域

本发明涉及热控涂层技术领域，更具体而言，涉及一种基于光子晶体的OSR 热控涂层。

背景技术

热控涂层是航天器重要的保障系统之一，太阳辐射是航天器受到最大的热辐射，其覆盖和紫外、可见和红外。当航天器在太空中运行时，向阳面的温度最高可达250℃，背阳的最低温度可达到-200℃。在这种情况下，航天器内部结构部件、仪器设备的温度不均匀性能达到±50-100℃。而航天器大多数设备对温度有着严格的要求，一般电子设备保持在-15℃-﹢50℃；而Ni-Cd电池耐受-10℃ -﹢40℃；对于某些特殊的设备，除了有温度范围要求外，还有温度变化率的要求，如空间望远镜和高精度对地观察相机等。高温及巨大的温度变化率对于航天器设备是无法接受的。而航天器主要采用铝合金，钛合金等轻合金材料。而金属的发射率ε_H很小，这样使得航天器在太阳辐照下运行时热平衡温度会很高。热控涂层是涂覆在航天器的表面，就先航天器的皮肤一样，对航天器的表面温度进行控制，以保证航天器及内部设备正常的工作。航天器的表面的热平衡温度表达式如下式：

其中S为太阳常数，σ是Stefan-Boltzmanncha常数，A_P为航天器垂直于太阳辐射方向有效面积，A为航天器的有效面积，α_S是航天器表面太阳能的吸收率，ε_H航天器表面的半球向外红外发射率。其中物体发射率定义为物体辐射能力E 与相同温度黑体辐射力E_b之比。对于特定的航天器，其S，σ，A_P，A都是常数。由此可见，其航天器表面的平衡温度可以通过选择不同α_S/ε_H，最终实现热控制。热控涂层的吸收发射比α_S/ε_H的值越小则航天器的降温程度越大；热控涂层的吸收发射比α_S/ε_H的值越大则航天器的升温程度越大。航天器主要采用轻合金材料，如铝合金，钛合金等。而金属的发射率ε_H很小，这样使得航天器在太阳辐照下运行时热平衡温度会很高。在航天器表面涂覆的热控涂层，减少航天器表面对太阳能吸收的吸收，增加其表面热辐射，降低航天器平衡温度，延长空间飞行器的使用寿命，保证航天器及其中的仪器设备维持在正常的工作温度范围内。由此，低吸收发射比的热控涂层是保证航天器及其设备正常工作的关键技术。

目前热控涂层按照涂层的组成可分为以下四种：未涂覆的金属表面，如抛光表面，喷砂表面；涂料型涂层，各种有机无机涂层；电化学涂层，如阳极氧化涂层和电镀涂层；二次表面镜型热控涂层，如光学太阳反射镜(OSA)、塑料薄膜型二次表面镜以及涂料二次表面镜；现有采用白漆和第二次表面镜是获得低吸收和高发射的主要技术途径。其中白漆主要有ZnO，ZrO₂等白色颜料和有机树脂构成，如Z-93、YB71等，二次表面镜主要包括F-46和光学反射器(OSR)。针对目前航天器热控涂层的需求，目前OSR的金属反射层存在太阳能光谱吸收能力强、反射能力差，反射频段窄等技术难题。这使得OSRs存在太阳能吸收比α_S较大(0.13)、太阳光谱反射比ρ_S低和反射光谱频段窄等难以克服的技术难题。