【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及航天領(lǐng)域功能性薄膜涂層，具體涉及多層薄膜的光學(xué)設(shè)計及制備方法。
技術(shù)介紹
1、航天器在太空中運行時，會受到太陽輻射、地球輻射和自身熱源的影響，導(dǎo)致其表面溫度發(fā)生劇烈波動，從而影響其正常工作和壽命。以位于距離地面約400km的太空環(huán)境中的空間站為例，空間站朝向太陽的表面溫度最高可達150℃以上，而在背陽面的溫度可低至零下100℃以下。因而，航天器熱管理成為航天工程中的一項關(guān)鍵技術(shù)。
2、傳統(tǒng)的可變發(fā)射率熱控器件主要采用諸如百葉窗等利用電驅(qū)動的機械式熱控器件，通常需要搭配溫度傳感器、驅(qū)動器、驅(qū)動元件、控制電路、供電系統(tǒng)等部件，不僅增加了航天器重量、體積以及能源消耗，也增加了相應(yīng)的制造和發(fā)射成本。同時也存在變色響應(yīng)時間較長的問題。目前基于薄膜的智能輻射器件已有初步研究，比如將具有紅外調(diào)控功能的相變涂層置于調(diào)控器件的最外層表面來實現(xiàn)可變發(fā)射率的熱控功能。參見圖9，這也是目前應(yīng)用最多的二氧化釩(vo2)相變層-介質(zhì)層-金屬反射層-基底層智能熱控材料，雖然這種相變調(diào)控材料將響應(yīng)時間縮短到納秒以內(nèi)。但它的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得表面的功能層二氧化釩(vo2)在長時間陽光照射或者空間輻照環(huán)境下容易失效甚至損壞，極大的影響了智能輻射器件的發(fā)射率調(diào)制能力，因而無法滿足實際應(yīng)用。測試結(jié)果顯示在連續(xù)一個月的自然條件下，材料性能衰減30％，5個月后便完全失效。由此可見，實現(xiàn)具有長壽命、熱穩(wěn)定性好、質(zhì)量輕和可靠性高的高效新型航天器熱控薄膜器件依然是目前航天熱控
的重大需求和研究挑戰(zhàn)。
技術(shù)實現(xiàn)思路p>
1、為了解決傳統(tǒng)涂層長時間陽光照射下容易損壞、制備困難的問題，實現(xiàn)薄膜材料的穩(wěn)定性和紅外調(diào)控能力，本專利技術(shù)提供一種航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜及制備方法。
2、具體的技術(shù)解決方案如下：
3、一種航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜由下至上依次設(shè)有金屬反射層、基底層、相變層和介質(zhì)層；
4、所述金屬反射層的材料為在8～13um的紅外波段平均反射率大于0.9的材料；
5、所述基底層的材料為在8～13um的紅外波段具有平均透過率大于0.6的材料；
6、所述相變層的材料為二氧化釩，相變溫度為35℃～80℃；
7、所述介質(zhì)層的材料為在8～13um的紅外波段平均吸收率小于0.1的材料；
8、當(dāng)所述熱控智能薄膜溫度低于二氧化釩的相變溫度時，在8～13um的紅外波段平均發(fā)射率大于0.6，處于冷卻模式；當(dāng)所述熱控智能薄膜溫度高于二氧化釩的相變溫度時，在8～13um的紅外波段平均發(fā)射率小于0.3，處于保溫模式。
9、進一步限定熱控智能薄膜的技術(shù)條件如下：
10、所述金屬反射層的材料為銀、銅、鋁、金中的一種；
11、所述基底層的材料為硅、鍺、柔性聚乙烯薄膜中的一種；
12、所述介質(zhì)層的材料為硅、鍺、二氧化鉿的一種。
13、一種航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜的制備操作步驟如下：
14、(1)清潔基底片
15、將基底片用去離子水和無水乙醇分別超聲清洗兩次，烘干；所述基底片即為基底層；(2)制備相變層(2.1)將清洗干凈的基底片放入射頻磁控濺射鍍膜設(shè)備真空室中的樣品臺上，基底片的一側(cè)面緊貼樣品臺，樣品臺位于釩靶材的正上方60cm處，將設(shè)備真空室氣壓抽1.0×10-4pa以下；
16、(2.2)通入80sccm流速的氬氣；打開限流閥，調(diào)節(jié)氣體壓強為2.0～10.0pa，打開靶材擋板，對釩靶材進行預(yù)濺射清洗；
17、(2.3)清洗完成，調(diào)整生長氣壓為1.0～2.0pa，在功率110w～200w條件下，對基底片的一側(cè)面進行濺射鍍膜5～40min，在基底片的一側(cè)面上形成釩薄膜層；
18、(2.4)將具有釩薄膜層的基底片放入管式爐中，退火處理，得到二氧化釩相變層；
19、(3)制備介質(zhì)層(3.1)將具有相變層的基底片放入鍍膜設(shè)備真空室中的樣品臺上，使相變層位于介質(zhì)靶材的正上方；預(yù)濺射清洗介質(zhì)靶材；
20、(3.2)在功率110w～200w條件下，濺射鍍膜1～2h；在相變層上形成介質(zhì)層，所述介質(zhì)層為非晶薄膜；
21、(4)制備金屬反射層
22、在真空室內(nèi)，將基底片的介質(zhì)層面固定在樣品臺上，使基底片的另一側(cè)面位于金屬反射層靶材的正上方；在功率110w～200w條件下，對基底片的另一側(cè)面進行濺射鍍10～50min，在基底片的另一側(cè)面形成金屬反射層；得到航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜。
23、進一步限定的制備操作條件如下：
24、所述基底層的厚度為5～500um。
25、步驟(2.3)中，所述相變層的厚度為42～200nm。
26、步驟(2.4)中，當(dāng)基底片的材料為硅或鍺時，退火溫度為550℃；當(dāng)基底片的材料為柔性聚乙烯薄膜時，退火溫度為50～80℃；退火時間2～3h。
27、步驟(3.2)中，當(dāng)濺射鍍膜滿45min時，停止濺射15min，再接著濺射鍍膜。
28、步驟(3.2)中，所述介質(zhì)層的厚度為500～1050nm。
29、步驟(4)中，所述金屬反射層的厚度為50～300nm。
30、所述釩靶材的純度、介質(zhì)靶材的純度和金屬靶材的純度均大于99.95％。
31、本專利技術(shù)的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面：
32、1.本專利技術(shù)通過利用二氧化釩的熱致相變特性，實現(xiàn)薄膜材料的紅外光譜特性根據(jù)溫度變化自動調(diào)控。在保溫模式下，薄膜材料溫度低于二氧化釩相變溫度，二氧化釩為絕緣態(tài)，薄膜在8～13um的紅外波段具有高透過率，紅外光絕大部分透過介質(zhì)層、相變層和基底層后被金屬層反射，因此涂層薄膜材料表現(xiàn)出紅外波段高反射率和低發(fā)射率的特性，實現(xiàn)智能保溫；在冷卻模式下，由于薄膜材料吸收太陽輻射能量，薄膜材料溫度高于二氧化釩相變溫度，二氧化釩轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，薄膜在紅外波段具有高反射率，此時介質(zhì)層和二氧化釩層形成新式法布里–珀羅諧振微腔，紅外吸收增強，因此薄膜材料表現(xiàn)出紅外波段高發(fā)射率的特性，增加輻射散熱。薄膜可以滿足航天器等設(shè)備朝陽面和背陽面不同的冷熱需求，一定程度上緩解了溫控系統(tǒng)的壓力。
33、2.參見圖9，相較于傳統(tǒng)的調(diào)控薄膜都是將相變層生長在最上層，導(dǎo)致長時間受紫外線的影響容易損壞失效。參見圖1，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，設(shè)計新式法布里–珀羅諧振微腔，最上層的介質(zhì)層可以避免紫外線對二氧化釩的破壞保證其在使用過程中的穩(wěn)定性。
34、3.本專利技術(shù)不需要搭配溫度傳感器驅(qū)動電路、供電系統(tǒng)等部件，克服傳統(tǒng)控溫系統(tǒng)的體積重量大以及高制造成本的問題。具有快速響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、不需要任能量輸入的特點，可以幫助航天器等地外探測設(shè)備緩解來自太空極端冷熱的壓力。
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1.一種航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜，其特征在于：所述熱控智能薄膜由下至上依次設(shè)有金屬反射層、基底層、相變層和介質(zhì)層；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜，其特征在于：所述金屬反射層的材料為銀、銅、鋁、金中的一種；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜的制備方法，其特征在于，操作步驟如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的制備方法，其特征在于：所述基底層的厚度為5～500um。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的制備方法，其特征在于：步驟(2.3)中，所述相變層的厚度為42～200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的制備方法，其特征在于：步驟(2.4)中，當(dāng)基底片的材料為硅或鍺時，退火溫度為550℃；當(dāng)基底片的材料為柔性聚乙烯薄膜時，退火溫度為50～80℃；退火時間2～3h。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的制備方法，其特征在于：步驟(3.2)中，當(dāng)濺射鍍膜滿45min時，停止濺射15min，再接著濺射鍍膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的制備方法，其特征在于：
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于：步驟(4)中，所述金屬反射層的厚度為50～300nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的制備方法，其特征在于：所述釩靶材的純度、介質(zhì)靶材的純度和金屬靶材的純度均大于99.95％。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜，其特征在于：所述熱控智能薄膜由下至上依次設(shè)有金屬反射層、基底層、相變層和介質(zhì)層；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜，其特征在于：所述金屬反射層的材料為銀、銅、鋁、金中的一種；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種航天器用可變紅外發(fā)射率的熱控智能薄膜的制備方法，其特征在于，操作步驟如下：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的制備方法，其特征在于：所述基底層的厚度為5～500um。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的制備方法，其特征在于：步驟(2.3)中，所述相變層的厚度為42～200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的的制備方法，其特征在于：...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鄒崇文，劉美玲，李先勝，趙斌，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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