КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ КЛАССА "СОЛНЕЧНЫЕ ОТРАЖАТЕЛИ" Российский патент 2010 года по МПК C09D5/24 C09D5/33 C09D1/02 C09D1/04 B64G1/58 

Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники и может быть использовано в системах пассивного терморегулирования космических аппаратов (КА), эксплуатирующихся на различных орбитах и приборных панелях малых аппаратов.

Известна принятая за аналог композиция для терморегулирующего покрытия (ТРП) класса «солнечные отражатели» (RU №2283332, C09D 5/24, 2005), которая в качестве связующего содержит смолу амидосодержащую акриловую, наполнитель - цинк-галлий оксид и растворитель - смесь ксилола и бутанола в соотношении 4:1. ТРП, полученное из известной композиции, обладает сочетанием всего комплекса параметров (коэффициентом поглощения солнечного излучения As≤0.3, коэффициентом теплового излучения ε≥0.9, удельным объемным электрическим сопротивлением ρ_ν≤5·10⁵ Ом·м), необходимыми при длительной (10-15 лет) эксплуатации КА на низких орбитах. Однако в условиях воздействия факторов космического пространства (ФКП), включающих электронное, протонное и УФ излучение, такие покрытия не могут эксплуатироваться более 5-7 лет.

Известна принятая за прототип силикатная композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели ТР-СО-ЦМ (RU №2248954, С04В 41/87, 2002). Терморегулирующее покрытие, изготовленное из указанной композиции, имеет хорошие начальные оптические характеристики, повышенную радиационную стойкость к ультрафиолетовому излучению (УФ), однако не обладает антистатическими свойствами, т.к. является диэлектриком (ρ_ν≈1·10¹¹Ом·м), что может привести к нарушениям в работе радиоэлектронной аппаратуры, бортовых систем и тем самым сократить срок эксплуатации КА.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение электропроводной композиции для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», предназначенного как для высоких, так и низких орбит, с повышенной радиационной стойкостью к воздействию факторов космического пространства (протонному, электронному и УФ излучениям).

Ожидаемый технический результат заключается в стабилизации работы радиоэлектронной аппаратуры и бортовых систем КА, увеличении срока активного существования КА на высоких орбитах, уменьшении весовых характеристик.

Для решения указанной задачи предложена новая композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», содержащая связующее - жидкое калиевое стекло (ЖКС), пигмент - оксид металла и растворитель - дистиллированную воду, при этом в качестве связующего используют модифицированное жидкое калиевое стекло с модулем 3,3-3,8 при плотности 1,204-1,216 г/см³, при этом в качестве модификатора ЖКС используют органический водоразбавляемый сополимер на основе латекса, а в качестве пигмента - цинк-галлий оксид с расчетной формулой ZnGaO_1+n, где n=0.0064, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

модифицированное жидкое калиевое стекло 26,4-28,7 цинк-галлий оксид 42,3-45,2 дистиллированная вода 28,4-29,0.

В качестве модификаторов применяют щелочерастворимые или щелоченабухаемые пленкообразующие - водоразбавляемые полимерные производные стирол-акриловых, бутадиен-стирольных и винилацетат-акриловых латексов с массовой долей 0.5-10.0%.

Модификацию жидкого калиевого стекла проводят путем добавления указанных модификаторов в процессе растворения кремнеземистого сырья в калиевой щелочи или непосредственно после завершения растворения.

В таблице 1 приведены характеристики покрытий в зависимости от содержания исследованных модификаторов в жидком калиевом стекле.

При использовании добавок модификаторов менее 0.5 мас.% значительно ухудшается адгезия покрытий при эксплуатации. При массовой доле модификатора более 10% резко снижается (от более 2 лет до 4-5 суток) стабильность ЖКС: происходит расслоение раствора или гелеобразование.

Введение указанных модификаторов в выбранных пределах 0.5-10 мас.% не только улучшает физико-механические свойства ТРП, в т.ч. адгезию покрытия к специальным сплавам, используемым для изготовления КА, но и значительно влияет на реологические свойства композиции, способствует достижению улучшенных оптических и электрофизических характеристик покрытия. Повышение пигментного наполнения в композициях до уровней, приведенных в таблице 2, на немодифицированном жидком калиевом стекле приводило к растрескиванию и отслоению покрытий. Кроме того, выбранные модификаторы не ухудшают электропроводность композиции, что также способствует решению поставленной задачи.

Композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели» представляет собой суспензию цинк-галлий оксида (ЦГО) в модифицированном жидком калиевом стекле с модулем 3,3-3,8 при плотности 1,204-1,216 г/см³ и дистиллированной воде при следующем соотношении компонентов, мас.%:

модифицированное жидкое калиевое стекло 26,4-28,7 ЦГО 42,3-45,2 дистиллированная вода 28,4-29,0

Для приготовления композиции сначала необходимые количества ЦГО и дистиллированной воды загружают в фарфоровый барабан при соотношении фарфоровые шары: пигмент =2:1 (по массе) и перетирают на двухвалковой мельнице в течение (3.5-4.5) ч. Затем добавляют модифицированное жидкое калиевое стекло и продолжают диспергирование еще 40 минут. После этого композицию фильтруют через медицинскую марлю и наносят на подготовленную поверхность методом пневматического распыления. Время высыхания слоя композиции при температуре (20±2)°С составляет 0.5 ч. Полное отверждение покрытия происходит при температуре (20±2)°С в течение 14 суток.

В таблице 2 приведены свойства покрытий в зависимости от содержания компонентов в композиции. Для обеспечения заданных оптических (As, ε) и электрофизических (ρ_ν) характеристик большое значение имеет толщина терморегулирующего покрытия. Оптимальные значения характеристик As, ε и ρ_ν получены при толщине покрытия (115-135) мкм, при этом вес покрытия остается минимальным. У прототипа оптимальные значения оптических характеристик (As, ε) достигнуты при толщине (150-170) мкм.

Терморегулирующее покрытие класса «солнечные отражатели» на основе предлагаемой композиции обладает комплексом всех требуемых характеристик: является электропроводным с удельным объемным сопротивлением ρ_ν=(1.2-4.3)·10⁴Ом·м, имеет низкий коэффициент поглощения солнечного излучения As~0.145-0.155 при сохранении высокой излучательной способности ε~0.94-0.96. Изменение коэффициента поглощения солнечного излучения ΔAs при эксплуатации КА в течение 15 лет на геостационарной орбите (ГСО) составит 0.40-0.50 (см. таблицу 3).

Использование заявляемого изобретения позволит:

- повысить надежность функционирования систем пассивного терморегулирования как на высоких, так и низких орбитах;

- увеличить срок эксплуатации КА на высоких орбитах (с 5-7 лет до 15 лет);

- снизить весовые характеристики ТРП (≈15%);

- снизить на порядок удельное объемное сопротивление ТРП (с 5,0·10⁵ Oм·м дo 4.3·10⁴ Ом·м).

Таблица 1 Наименование показателей Немодифи-
цирован-
ное ЖКС Модификаторы, % по отношению к массе сухих веществ в ЖКС Бутадиен-стирольный латекс Винилацетат-акриловый сополимер Стирол-акриловый
сополимер 0.5 3.5-4.0 10.0 0.5 3.5-4.0 10.0 0.5 3.5-4.0 10.0 Коэффициент As, не более 0.15-0.16 0.147-0.155 0.145-0.155 0.145-0.155 0.149-0.155 0.148-0.155 0.148-0.152 0.149-0.155 0.14-0.155 0.146-0.154 Коэффициент ρ_ν, Ом·м (1.6-4.5)·10⁵ (1.8-4.0)·10⁴ (1.5-4.2)·10⁴ (1.6-4.2)·10⁴ (2.0-4.1)·10⁴ (1.7-44.3)·10⁴ (1.6-4.3)·10⁴ (1.7-3.9)·10⁴ (1.2-4.1)·10⁴ (1.3-4.0)·10⁴ Адгезия, балл 4 1-2 1-2 1-2 1-2 1-2 1-2 1-2 1-2 1-2

Таблица 2 Наименование компонентов Наименование показателей Содержание компонентов в композиции, мас. % 1 2 3 4 5 1. ЦГО 37.9 42.3 43.8 45.2 49.4 2. модифицированное ЖКС* 30.9 28.7 27.6 26.4 25.2 3. дистиллированная вода 31.2 29.0 28.6 28.4 25.4 Толщина покрытия, мкм 160-180 114-130 112-128 110-135 Невозможно получить качественное покрытие - сильное меление Коэффициент As, не более 0.15 0.154 0.148 0.145 Коэффициент ε, не менее 0.94 0.965 0.945 0.96 Коэффициент pv, Ом-м, не более (1-4)·10⁶ 4.3·10⁴ 2.4·10⁴ 1.2·10⁴ *Примечание. ЖКС содержит 4% стирол-акрилового сополимера.

Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники, в частности к композиции для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», предназначенного для использования в системах пассивного терморегулирования космических аппаратов. Композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели» включает модифицированное жидкого калиевое стекло с кремнеземистым модулем 3,3-3,8 при плотности 1,204-1,216 г/см³ в качестве связующего, в количестве 26,4-28,7 мас.%, пигмент - цинк-галлий оксид с расчетной формулой ZnGaO_1+n, где n=0,0064 в количестве 42,3-45,2 мас.% и растворитель - дистиллированную воду в количестве 28,4-29,0 мас.%. При этом в качестве модификатора ЖКС используют органический водоразбавляемый сополимер на основе латекса. Предложенная композиция позволяет получить терморегулирующее покрытие класса «солнечные отражатели» с повышенной радиационной стойкостью к воздействию факторов космического пространства, низким коэффициентом поглощения солнечного излучения при сохранении высокой излучательной способности, стабилизирующее работу радиоэлектронной аппаратуры и бортовых систем космических аппаратов, позволяющее увеличить срок активного существования космического аппарата на высоких орбитах и уменьшить его весовые характеристики. 3 табл.

Композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», включающая связующее - жидкое калиевое стекло, пигмент - оксид металла и растворитель - дистиллированную воду, отличающаяся тем, что в качестве связующего используют модифицированное жидкое калиевое стекло с кремнеземистым модулем 3,3-3,8 при плотности 1,204-1,216 г/см³, при этом в качестве модификатора ЖКС используют органический водоразбавляемый сополимер на основе латекса, а в качестве пигмента цинк-галлий оксид с расчетной формулой ZnGaO_1+n, где n=0,0064, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
модифицированное жидкое калиевое стекло 26,4-28,7 цинк-галлий оксид 42,3-45,2 дистиллированная вода 28,4-29,0