[发明专利]一种空间深冷热控涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种空间深冷热控涂层及其制备方法，属于新材料领域；本发明深冷热控涂层材料由表面辐射层、中间反射层和背面保护层组成，本发明中表面辐射层宜具有较高的长波红外截止频率，如氟化物；中间反射层用于高效反射太阳热流，如Ag、Al层；背面保护层用于防护涂层的空间原子氧氧化，如镍薄膜层。制备的涂层为氟化物/Ag/镍三层复合结构。涂层的太阳吸收比低至0.03，红外反射截止波长为8~12µm，涂层热平衡温度低至50K，可应用于空间服役的各类航天器的低温设备的热控系统。此外，该涂层在地面环境中亦具有辐射制冷效应，可获得比大气环境温度低5℃以上的的降温效果，可用于建筑物和工业设备的降温节能。

技术领域

本发明涉及一种空间深冷热控涂层及其制备方法，属于新材料领域。

背景技术

随着当前深空探测、天文观测和长期驻人空间站等航天科技的快速发展，航天器低温工作部件，如液氧贮箱、红外光学设备、超导电机以及传感器等设备需要工作在液氮温度及以下，因此亟需研发一种能够使空间环境中无内部热源的物体在没有额外能量输入的情况下达到深冷状态的低温热控涂层。这不仅可使詹姆斯韦伯望远镜表面阵列、超导器件等这类需要在深冷环境下工作的器件正常运行，还能够使得航天器可以长期储存液氧等推进剂以实现深空探测的目标。

然而，传统低吸收热控涂层所能达到的平衡温度远不足实现空间深冷，而斯特林制冷机等主动制冷手段不仅占用有效体积和重量、且耗能、使用寿命短。例如，在理想空间条件下，距离太阳1个天文单位处，球形黑体的表面热平衡温度约为278K，涂覆传统白色热控涂层(如α_s＝0.09，ε_H＝0.91)可使其表面温度降至157K，涂覆专利(卫星太阳基板表面玻璃型二次表面镜热控涂层及制备方法CN 109705645 A)中的OSR玻璃二次表面镜热控涂层(如α_s＝0.06，ε_H＝0.83)可使其表面温度降至144K，但仍远高于液态燃料/冷却剂贮箱等50K的控温要求。文献[Robert C.Youngquist,Mark A.Nurge.J.Spacecraft.Rockets.2018,55,622-631]描述了1天文单位处覆盖有理想涂层的物体的稳定温度随材料截至波长变化的情况。发现随着截止波长的上升温度也逐渐下降，当红外反射截止波长为4μm时，平衡温度约为88K，达到存储液态氧温度，但还不足以提供超导材料的工作温度。当截止波长达到8μm时，平衡温度可以达到50K，这个温度既可以实现超导工作条件又可以在低压条件下存储高密度液态氧。

空间中的物体受到太阳热流的直接辐射、地球或其他行星反射的太阳辐射和来自于地球或其他行星的红外热辐射等空间外热流的加热作用,并向温度相当于4K的宇宙空间辐射散热。因此，为了获得物体的深冷低温，必须要反射太阳热流、反射地球等行星辐射的红外线(地球的峰值辐射波长为9.7μm)和辐射物体自身热量。因此，通过制备一种可反射绝大部分太阳热流且又能够有远红外辐射换热性能的热控涂层，可实现对空间低温工作设备的深冷控温需求。

发明内容

本发明针对当前深空探测航天器的低温控温需求，基于光谱设计和能带调控原理，旨在提供一种空间深冷型低温热控涂层及其制备方法，以获得在空间环境下低至50K的控温水平。所公开的深冷热控涂层为氟化物/Ag/镍三层复合结构，可广泛应用于空间极端环境下服役的各类航天器低温控温设备和工业被动辐射制冷等领域。

本发明是这样实现的：

本发明所述涂层由表面辐射材料、中间反射层和背面保护层组成，表面辐射层、中间反射层和背面保护层构成本发明的深冷热控涂层，所述的深冷热控涂层为三层复合结构，该三层复合结构为氟化物/Ag/镍或者氟化物/Al/镍的三层复合结构。