一种空间深冷热控涂层及其制备方法

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

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。

涂层在反射绝大部分太阳辐射热流的同时，通过自身与空间低温的辐射换热将吸收的太阳辐射及自身产热发射出去，以达到将控温目标辐射制冷至低温。所述表面辐射材料为BaF

进一步，所述背面保护层具有优良的传热系数，能够使被控温设备产热有效的向外传递，最终通过辐射的形式发射出去。

本发明一种空间深冷热控涂层的制备方法为：

步骤一、将BaF

进一步，所述的步骤一中真空蒸镀的反射膜厚度为200nm；所述的步骤二中镍膜厚度为50nm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明所提供的空间深冷涂层通过对具有不同光谱特性材料的组合设计，使得该涂层不仅在太阳辐射能量分布较多的区间内吸收率极低，同时在太阳辐射能量分布很小的长波区间发射率极高，从而可以实现空间深冷效果，相比于传统低吸收高发射热控白漆空间理想条件下约160K的控温效果，本发明所述空间深冷热控涂层可获得低至50K的控温效果。本发明所述涂层具有结构简单、成本低廉、可规模化生产等优点，可广泛应用于各类航天器低温工作设备的热控系统，如燃料存储、空间超导装置、低温天文望远镜观测等应用场景。所制备的涂层在地面环境中也具有突出的辐射制冷效果，可获得比大气环境温度低5℃以上的制冷效果，可应用于建筑物和户外工业设备的节能减排。

附图说明

图1为本发明所述高太阳光谱反射率辐射制冷涂层工作原理示意图；

图2为本发明所述空间深冷涂层结的太阳光谱反射率和红外发射率。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

步骤一、将厚为1mm、直径为2英寸的BaF

步骤二、将步骤一获得的BaF

步骤三、将步骤二蒸镀后的样品取出清洗、烘干，分别测试其紫外-可见-近红外反射光谱和红外吸收光谱，可发现本发明制备的深冷涂层的太阳吸收比为0.030、发射率为0.693，样品的平衡温度为48K。以传统铈玻璃镀银二次表面镜(OSR)做对比，OSR的太阳吸收比为0.06、发射率为0.83，其在空间中理想条件下的热平衡温度为144K，远高于本发明所述深冷涂层的平衡温度。

实施例2

步骤一、将厚为1mm、直径为2英寸的MgF

步骤二、将步骤一获得的MgF

步骤三、将步骤二蒸镀后的样品取出清洗、烘干，分别测试其紫外-可见-近红外反射光谱和红外吸收光谱，可发现本发明制备的深冷涂层的太阳吸收比为0.033、发射率为0.621，样品的平衡温度为60K。

实施例3

步骤一、将厚为1mm、直径为2英寸的CaF

步骤二、将步骤一获得的CaF

步骤三、将步骤二蒸镀后的样品取出清洗、烘干，分别测试其紫外-可见-近红外反射光谱和红外吸收光谱，可发现本发明制备的深冷涂层的太阳吸收比为0.045、发射率为0.570，平衡温度为52K。图1为深冷涂层的结构示意图，表面辐射层为氟化物晶体，中间层为金属反射层，背底为镍保护层。图2为涂层的反射率和发射率光谱图。可以看出，太阳辐射的紫外-可见-近红外热流(0.2～2.5μm)和部分中红外(CaF

步骤四、将步骤三获得的样品放置于户外空旷的木桌面上，静置半小时后，通过红外测温仪或温度传感器测试，可发现涂层具有出色的辐射制冷效果。在户外大气环境温度为7℃时，涂层表面温度仅为2℃。

实施例4

步骤一、将厚为1mm、直径为2英寸的CaF

步骤二、将步骤一获得的CaF

步骤三、将步骤二蒸镀后的样品取出清洗、烘干，分别测试其紫外-可见-近红外反射光谱和红外吸收光谱，可发现本发明制备的深冷涂层的太阳吸收比为0.055、发射率为0.565，平衡温度为55K。

步骤四、将步骤三获得的样品放置于户外空旷的木桌面上，静置半小时后，通过红外测温仪或温度传感器测试，可发现涂层具有出色的辐射制冷效果。在户外大气环境温度为8℃时，涂层表面温度为3.5℃。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。