МНОГОСЛОЙНОЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2006 года по МПК G02B1/10 B64G1/58 

Предлагаемое изобретение относится к области терморегулирующих покрытий, эксплуатирующихся преимущественно в составе космической техники.

Многослойное покрытие предназначено для использования в качестве внешнего слоя экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) на наружных поверхностях космических аппаратов (КА) с электрическим заземлением на корпус КА или в качестве терморегулирующего покрытия класса "солнечный отражатель" при нанесении его с помощью клеевого электропроводного слоя на наружные поверхности, преимущественно теплоизлучающие поверхности КА.

В процессе эксплуатации поверхность КА нагревается под действием электромагнитного излучения (ЭМИ) Солнца. При этом уравнение теплового баланса плоской пластины, нормально ориентированной на Солнце, с теплоизоляцией на тыльной поверхности, в условиях открытого космического пространства имеет вид:

где Т - равновесная температура поверхности пластины, [К]; Is - плотность потока солнечного излучения Is=1400 [Вт/м²]; С_о - постоянная Стефана-Больцмана, С_о=5,67×10^-8 [Вт/(м²К⁴)]; As - коэффициент поглощения солнечного излучения освещенной поверхности; ε - коэффициент излучения.

Отсюда видно, что температурный режим покрытия обеспечивается отношением терморадиационых характеристик As/ε его поверхности. Чем меньше отношение As/ε, тем эффективнее работает покрытие класса «солнечный отражатель».

Однако, кроме ЭМИ Солнца, на внешнюю поверхность ЭВТИ и другие поверхности КА воздействует корпускулярное излучение - потоки электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ). Под их действием на диэлектрических поверхностях КА скапливается неоднородный электростатический заряд. Периодически между областями поверхности с разными электрическими потенциалами происходят разряды, вызывающие помехи или даже сбои бортовой электронной аппаратуры и способствующие ухудшению характеристик оптических поверхностей. Для защиты от электризации необходимо нанесение на лицевую поверхность покрытия электропроводных слоев, не ухудшающих характеристики As и ε покрытия.

Известно многослойное покрытие (Франция, патент № 2681078, 06.09.91), содержащее полимерную подложку, на которой расположен оптический слой. Способ получения такого покрытия включает в себя нанесение на эластичную подложку адгезионного слоя с последующим нанесением металлического оптического слоя и сушкой.

Основным недостатком данного аналога является высокая величина отношения коэффициента поглощения солнечного излучения получаемого покрытия к коэффициенту излучения (степени черноты) As/ε=2 при требуемом отношении менее 1,0 для терморегулирующих покрытий класса "солнечный отражатель".

Известно терморегулирующее устройство (патент США № 4618218), представляющее собой трехслойное покрытие, внешний слой которого выполнен из прозрачного (для заданных длин волн) электропроводного материала, например Ge; промежуточный - из твердого электролита с преимущественно ионной проводимостью, а внутренний - из серебра. В зависимости от разности потенциалов между внешним и внутренним слоями покрытие может поглощать или отражать излучение определенного диапазона длин волн.

Основными недостатками данного аналога являются: необходимость в источнике энергии и управляющей схеме; невозможность совмещения высокой излучательной способности и высокой отражательной способности в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм Rs (Rs=1-As).

Известно многослойное терморегулирующее покрытие класса «солнечный отражатель» (RU, № 2168189, 11.10.1999), содержащее полимерную подложку с нанесенным на нее оптическим слоем с нитевидными или волокнистыми кристаллами оксида цинка с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, при этом полимерная подложка выполнена эластичной. Покрытие получают путем многослойного полива на подложку раствора органического связующего с пигментом.

Недостатками аналога являются высокая масса многослойной краски (150...200 г/м²) и наличие органического связующего. Большинство органических связующих, в том числе приводимый в примере поливиниловый спирт, относятся к диэлектрикам и обладают высоким газовыделением в вакууме. Являясь диэлектриком, покрытие накапливает электростатический заряд под действием заряженных частиц РПЗ, что приводит к возникновению электрических разрядов, вызывающих помехи или даже сбои в бортовой аппаратуре КА. Выделяющиеся из покрытия остатки растворителя и продукты деструкции органического связующего частично осаждаются на поверхность покрытия и другие поверхности КА, ухудшая их оптические свойства.

Наиболее близким по технической сущности является покрытие космического аппарата (патент США US5400986), состоящее из листов прозрачного диэлектрического материала подложки с прозрачным электропроводным покрытием на внешней поверхности и отражающим покрытием на тыльной поверхности. Указанный патент принят в качестве прототипа.

Основные недостатки прототипа:

- покрытие выполнено из хрупкого материала - листов стекла или кварца, что повышает риск повреждения покрытия при монтаже на изделие и других технологических работах с ним, а также исключает возможность изготовления гибких экранов;

- покрытие выполнено из отдельных фрагментов малых размеров (до 9,1×11,2 см), между отдельными фрагментами должны быть зазоры для компенсации теплового расширения, следовательно, часть поверхности не защищена покрытием;

- высокая стоимость покрытия, обусловленная высокой сложностью технологии изготовления тонких стеклянных листов - необходимо специальное дорогостоящее оборудование и точное соблюдение технологических режимов;

- электропроводное покрытие не защищено от воздействия промышленной атмосферы (в том числе, влаги), от механических повреждений при технологических работах с покрытием, от эрозии атомарным кислородом и плазмой двигателей коррекции КА при эксплуатации.

Целью настоящего изобретения является исключение указанных недостатков и расширение функциональных возможностей многослойного покрытия, улучшение его технологичности и повышение надежности в экстремальных условиях эксплуатации, с сохранением заданных терморадиационных характеристик (As/ε=0,3...0,5) и оптимальной поверхностной электропроводности.

Технический результат достигается тем, что прозрачное электропроводное покрытие включает не менее 2-х слоев, причем один из слоев содержит оксид церия, а подложка выполнена из полиимидной пленки.

Суть изобретения поясняется чертежом, на котором изображено поперечное сечение покрытия. Оно состоит из подложки 3, выполненной в виде полимерной пленки, электропроводного покрытия 2 на лицевой стороне подложки, причем электропроводное покрытие (ЭП) 2 может включать износостойкий слой 1. Многослойное покрытие включает металлический отражающий слой 4, снабженный защитным покрытием 5, на тыльной стороне подложки.

Отражающий слой 4 выполнен из металла с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, например серебра или алюминия. Защитное покрытие 5 выполнено в 1 или 2 слоя и нанесено на внешнюю сторону отражающего слоя 4 и содержит твердое коррозионно-стойкое соединение, металл или сплав, причем металл или сплав может быть частично или полностью окисленным. Электропроводное покрытие 2 выполнено из оптически прозрачного радиационно-стойкого неорганического материала на основе оксидного полупроводника, например оксида индия, и может содержать (иметь) неорганический износостойкий слой 1 (например, SiO₂) на внешней поверхности.

Многослойное покрытие устанавливается на поверхности изделия (какого-либо узла, прибора КА) с помощью соответствующих клеев или применяется в составе ЭВТИ в виде внешнего (лицевого) слоя пакета ЭВТИ. В процессе эксплуатации лицевая поверхность многослойного покрытия подвергается воздействию солнечного излучения и потока заряженных частиц, в том числе атомарного кислорода.

Солнечное излучение частично отражается от внешних поверхностей покрытия (˜5%), часть излучения поглощается в пленке (˜20%), часть поглощается в металле отражающего слоя 4 (˜10%), оставшаяся часть солнечного излучения отражается от металла отражающего слоя 4 и, проходя через подложку, уходит в окружающее пространство (˜70%).

При этом, благодаря использованию не менее 2-х слоев электропроводного покрытия, один из которых содержит оксид церия (CeO₂), повышается стойкость покрытия к истиранию (за счет высокой твердости оксида церия) и повышается стабильность свойств подложки под действием электромагнитного излучения Солнца за счет задержки части излучения ультрафиолетового диапазона длин волн и корпускулярного излучения (в том числе низкоэнергетичных протонов, электронов и плазмы двигателей коррекции).

Кроме того, внешний слой обеспечивает высокую стойкость остальных слоев покрытия к факторам хранения (т.е. предохраняет оставшиеся слои от воздействия влаги и других составляющих промышленной атмосферы); защищает от воздействия истирающих нагрузок при технологических работах. Благодаря выполнению электропроводного покрытия на основе оксидных полупроводников обеспечивается высокая радиационная стойкость покрытия, причем внешний слой обеспечивает высокую стойкость к воздействию атомарного кислорода (защищает электропроводное покрытие от повреждения атомарным кислородом на участке выведения КА на орбиту и при эксплуатации на низких околоземных орбитах).

Благодаря выполнению подложки из полиимидной пленки обеспечивается радиационная стойкость, гибкость материала, снижение его удельного веса и возможность изготовления из него сплошных экранов большой площади, при сохранении высокой термо- и радиационной стойкости (сохранение оптических характеристик при нагреве до 573 К и после облучения с поглощенной дозой более 3×10⁶ Гр). Использование другой полимерной пленки (из известных радиационно-стойких материалов) приведет к снижению радиационной стойкости и термостойкости многослойного покрытия; кроме того, при использовании полиимидной пленки толщиной, например, 50 мкм достигается коэффициент излучения (степень черноты) не менее 0,8; при этом для достижения той же величины коэффициента излучения необходимо использование другой полимерной пленки большей толщины, например пленка из фторопласта 4МБ должна иметь толщину более 100 мкм. Применение в качестве подложки пленки большей толщины привело бы к увеличению удельного веса покрытия.

В результате совокупности описанных отличительных признаков повышается качество покрытия и расширяется область его возможного применения при достижении эксплуатационных характеристик, а именно:

- расширяются функциональные возможности многослойного покрытия: покрытие сохраняет работоспособность и может быть использовано на низких околоземных орбитах (в присутствии атомарного кислорода) и на участках поверхности КА, подверженных воздействию плазмы двигателей коррекции;

- повышается надежность работы многослойного покрытия (сохраняемость требуемых оптических и электрических свойств) под действием внешних факторов как в наземных условиях (истирающих нагрузок, агрессивных компонентов промышленной атмосферы), так и в условиях эксплуатации в составе КА (под действием излучения Солнца, атомарного кислорода, корпускулярного излучения, в т.ч. плазмы двигателей коррекции КА, протонов, электронов);

- повышается технологичность изготовления многослойного покрытия и достигается возможность изготовления из многослойного покрытия гибких защитных экранов большой площади.

На предприятии разработаны и изготовлены опытные образцы покрытия. Проведенные испытания показали высокую стойкость покрытия к факторам хранения (воздействие переменных температур и влажности) и эксплуатации (циклическое изменение температуры в вакууме (±180°С), ионизирующее излучение поглощенной дозой до 3×10⁶ Гр, воздействие солнечного излучения, потоков электронов, кислородной плазмы). В процессе облучения электронами в вакууме электризация поверхности покрытия отсутствует.

После имитации 8 лет хранения воздействия ударных, вибрационных и транспортировочных нагрузок, циклического изменения температуры в вакууме, воздействия ионизирующего излучения и заатмосферного солнечного излучения покрытие сохраняет электропроводность поверхности, достаточную для снятия избыточного электростатического заряда и оптические характеристики покрытия соответствуют требованиям к ТРП класса «солнечный отражатель» (As/ε<1,0).

Из известных авторам патентно-информационных источников не известна совокупность признаков, сходных с признаками заявляемого объекта.

Многослойное покрытие состоит из подложки с прозрачным электропроводным покрытием на внешней поверхности и отражающим покрытием на тыльной поверхности, выполненным в виде пленки металла с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм. Прозрачное электропроводное покрытие включает не менее 2-х слоев, причем один из слоев содержит оксид церия, а подложка выполнена из полиимидной пленки. Внешний слой прозрачного электропроводного покрытия может быть выполнен в виде тонкого (˜0,05 мкм) прозрачного радиационно-стойкого износостойкого слоя, например из SiO₂. Один из слоев прозрачного электропроводного покрытия может быть выполнен на основе оксида олова SnO₂, легированного оксидом церия CeO₂, или на основе In₂O₃. Технический результат - расширение функциональных возможностей, улучшение технологичности и повышение надежности в экстремальных условиях эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многослойное покрытие, состоящее из подложки с прозрачным электропроводным покрытием на внешней поверхности и отражающим покрытием на тыльной поверхности, выполненным в виде пленки металла с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, прозрачное электропроводное покрытие включает не менее двух слоев, причем один из слоев содержит оксид церия, а подложка выполнена из полиимидной пленки.2. Многослойное покрытие по п.1, отличающееся тем, что внешний слой прозрачного электропроводного покрытия выполнен в виде тонкого (˜0,05 мкм), прозрачного, радиационно-стойкого, износостойкого слоя, например из SiO₂.3. Многослойное покрытие по п.1 или 2, отличающееся тем, что один из слоев прозрачного электропроводного покрытия выполнен на основе оксида олова SnO₂, легированного оксидом церия CeO₂.4. Многослойное покрытие по п.1 или 2, отличающееся тем, что один из слоев прозрачного электропроводного покрытия выполнен на основе In₂O₃.