Состав терморегулирующего покрытия Российский патент 2024 года по МПК C09D1/02 C09D5/33 B64G1/58 

Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к составам покрытий пассивной терморегуляции, наносимых на поверхность космических аппаратов (КА) для поддержания в последних определенного теплового режима, а также для защиты от повреждающего воздействия излучений, корпускулярных потоков и других факторов космического пространства (ФКП).

В космическом пространстве КА испытывают значительный перепад температуры: сторона, находящаяся в тени при температуре, близкой к абсолютному нулю, быстро теряет тепло, интенсивно излучая его в окружающее пространство, в то время как противоположная под воздействием солнечного излучения избыточно нагревается. Защитные покрытия с терморегулирующими свойствами поддерживают внутри КА заданную температуру, предохраняют его бортовую аппаратуру от губительных для нее термоперепадов и воздействия других вредоносных факторов космического пространства (ФКП), в частности, УФ-излучения, корпускулярных потоков.

Продолжительность безопасной работы КА связана со способностью терморегулирующих покрытий в процессе эксплуатации сохранять служебные характеристики; незначительные теоретически прогнозируемые отклонения допустимы только в четко просчитываемых пределах. Таким образом, поведение КА зависит от устойчивости указанных покрытий по отношению к воздействию ФКП при длительных сроках активного существования (более 15 лет) как на низких, до 400-600 км, так и на геостационарных и высокоэллиптических орбитах.

Среди терморегулирующих покрытий класса «солнечные отражатели», используемых для защиты космических аппаратов, наиболее технологичными и одновременно дешевыми являются покрытия, представляющие собой гетерогенную систему, содержащую наполнитель-пигмент и связующее.

Наиболее распространенными на текущий момент пигментами являются оксиды металлов, а также шпинели, связующими компонентами служат силикатные материалы (чаще всего литиевые, натриевые, калиевые жидкие стекла) или органические соединения, преимущественно лаки, эмали, краски. Органические связующие, по сравнению с силикатными, обладают меньшей радиационной стойкостью и в условиях космического пространства подвергаются частичной деструкции, сопровождающейся газовыделением, нарушающим нормальное функционирование поверхностной защиты КА.

Известен (RU 2248954, опубл. 2005.03.27) состав для формирования систем пассивного терморегулирования КА, который содержит калий метасиликат с силикатным модулем не менее 4,5 при плотности 1,185-1,195 г/мл в качестве связующего, оксид циркония (IV) особой чистоты (ТУ 2611-269-00209792-2001) в качестве наполнителя-пигмента, а также дистиллированную воду-растворитель при следующем содержании ингредиентов, масс. %: ZrO₂ модифицированный «ос.ч.» 33-53, калий метасиликат 24-30, вода дистиллированная 23-37. Известный состав проявляет высокую стойкость по отношению к УФ-излучению, обладает достаточно низким начальным значением коэффициента поглощения солнечной радиации (A_S≤0,12-0,13), высокой стабильностью терморадиационных характеристик в условиях практической эксплуатации. Обеспечивая высокую надежность функционирования системы пассивного терморегулирования, он позволяет увеличить сроки эксплуатации КА. Однако необходимость специальной обработки исходных компонентов, в частности, модификации и глубокой очистки оксида циркония, в значительной мере усложняет и удорожает подготовку известного состава и, соответственно, формируемого с его помощью терморегулирующего покрытия.

Известен (RU 2421490, опубл. 2011.06.20) состав покрытия, используемого в системах терморегулирования внешней поверхности КА, который содержит силикатное связующее в виде жидкого литиевого или натриевого стекла и сульфат бария BaSO₄ с добавкой алюмината бария или алюмината лития в качестве наполнителей-пигментов. Покрытие на основе известного состава обладает стабильностью оптических характеристик, низким газовыделением, прочной адгезией к подложке в условиях воздействия ФКП. Жизнеспособность подготовленной композиции известного состава составляет 3-5 недель. Ее коэффициент поглощения солнечного излучения (A_S)_кон не превышает 0,33 и проявляет стабильность при эксплуатации в течение 15 лет. Однако промышленный сульфат бария BaSO₄ весьма токсичен и требует специальных мер защиты в процессе приготовления пигмента и нанесения покрытия, поскольку может представлять серьезную опасность для здоровья человека.

В качестве наиболее близкого к предлагаемому выбран описанный в патенте RU2751033, опубл. 2021.07.07, состав терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», наносимого на поверхность КА для поддержания в них заданного теплового режима, а также для защиты от повреждающего воздействия ФКП. Известный состав в качестве неорганического пигмента содержит псевдоволластонит (силикат кальция моноклинной модификации), полученный путем термообработки при температуре 1200-1250°С в течение 4,0-5,0 часов силиката кальция CaSiO₃, предварительный синтез которого осуществляют путем выдержки в автоклаве реакционной смеси, содержащей силикат натрия Na₂SiO₃ и хлорид кальция CaCl₂ в растворе, при температуре 200-220°С и давлении 21-22 атм. в течение 3,0-3,5 часов.

Псевдоволластонит представляет собой пигмент, обладающий высокой белизной и достаточно высокой светоотражающей способностью. Однако покрытия, полученные на основе содержащего псевдоволластонит состава, с соответствующими его показателям характеристиками, не обеспечивают оптимальной защиты КА, вдобавок приготовление псевдоволластонита является длительным и энергоемким процессом, что значительно снижает рентабельность формируемых покрытий.

Задача изобретения заключается в создании состава терморегулирующего покрытия КА, обладающего высокой и стабильной во времени светоотражающей способностью, при этом получаемого с помощью простого в осуществлении неэнергоемкого способа, способствующего повышению рентабельности формируемого терморегулирующего покрытия.

Техническим результатом предлагаемого состава является повышение светоотражающей способности и улучшение радиационной стойкости формируемого с его помощью терморегулирующего покрытия при одновременном повышении рентабельности указанного покрытия за счет уменьшения затрат времени и расхода энергии на приготовление упомянутого состава, включающего псевдоволластонит.

Указанный технический результат достигают составом для формирования терморегулирующего покрытия, содержащим неорганический белый пигмент на основе соединения кальция и силикатное связующее, который, в отличие от известного, в качестве неорганического белого пигмента содержит карбонат кальция СаСО₃ в модификации кальцита, в качестве силикатного связующего - жидкое натриевое либо калиевое стекло с силикатным модулем не менее 3,5, а также дистиллированную воду в качестве растворителя при следующем содержании компонентов, масс. %: кальцит СаСО₃ 42,3-43,2, жидкое стекло 26,4-28,7 и дистиллированная вода остальное.

Карбонат кальция СаСО₃ в модификации кальцита по сравнению с известным пигментом CaSiO₃ моноклинной модификации обладает более высокой отражательной способностью и радиационной стойкостью. В работе Gordienko P.S. et al. (Materials Chemistry and Physics. 2017. Vol. 197. pp.266-271) показано, что при неизменном флюенсе электронов F=2⋅10¹⁶ см^-2 значение ΔA_S для CaSiO₃ в зависимости от режимов его термической обработки составляет от 0,038 до 0,077, в то время как для карбоната кальция СаСО₃ при флюенсе электронов (1-3)×10¹⁶ см^-2 значение ΔA_S составляет 0,006-0,017.

Кальцит синтезируют известным способом согласно реакции:

Na₂CO₃+CaCl₂+H₂O→СаСО₃+2NaCl+H₂O.

Углекислую соль натрия Na₂CO₃ и хлорид кальция CaCl₂ смешивают в водном растворе. Полученный белый осадок промывают до полного удаления ионов Cl^-, наличие которых контролируют по реакции промывных вод с раствором AgNO₃, отфильтровывают и высушивают при 85°С.

Это обеспечивает получение однородного тонкодисперсного (10-30 мкм) пигмента, гарантирует полное отсутствие нежелательных примесей и создает основу для последующего формирования покрытия с высокими функциональными характеристиками.

Исследование спектров диффузного отражения (ρ_λ) и облучение порошков электронами осуществляли в имитаторе условий космического пространства - в установке «Спектр» (Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск). Облучение проводили в следующих условиях: энергия электронов Е=30 кэВ, флюенс F составлял 1×10¹⁶, 2×10¹⁶ и 3×10¹⁶ см^-2, температура Т=300 К, давление Р=5⋅10^-7 торр. После каждого периода облучения регистрировали спектры в диапазоне длин волн 0,25-2,10 мкм в вакууме на месте облучения.

Данные по отражательной способности и радиационной стойкости кальцита СаСО₃ показаны на фиг.1, 2 и в таблице.

На фиг.1 представлены спектры диффузного отражения ρ_λ до и после облучения порошка кальцита СаСО₃ ускоренными электронами с энергией 30 кэВ и флюенсом (1, 2 и 3)×10¹⁶ см^-2.

На фиг.2 показана зависимость изменений коэффициента поглощения солнечного излучения ΔA_S порошком кальцита СаСО₃ от флюенса электронов с энергией 30 кэВ, характеризующая его радиационную стойкость.

Покрытие предлагаемого состава с кальцитом СаСО₃ в качестве пигмента можно наносить на подложку из конструкционного металла практически любой площади с любой кривизной поверхности, при этом нанесение не требует специального оборудования и не нуждается в защитной среде.

Примеры конкретных составов покрытия (с растворителем) В примерах приведены варианты предлагаемого состава, содержащего тонкодисперсный (10-30 мкм) порошок кальцита СаСО₃ в качестве пигмента со связующим в виде жидкого калиевого или натриевого стекла с силикатным модулем М≥3,5.

Пример 1

СаСО₃ (кальцит) 42,3 масс. % Калиевое стекло (М3,5) 28,7 масс. % Дистиллированная вода до 100 масс. %

Пример 2

СаСО₃ (кальцит) 43,2 масс. % Натриевое стекло (М3,8) 26,4 масс. % Дистиллированная вода до 100 масс. %

Из каждого состава готовили суспензию с дистиллированной водой в качестве растворителя и путем ее пневматического напыления на металлическую подложку формировали терморегулирующее защитное покрытие.

По примерам 1 и 2 сформировано прочное равномерное покрытие с адгезией к подложке не менее 1,8 МПа по ГОСТ 32299-2013, характеризующееся высокой отражательной способностью и высокой радиационной стойкостью.

Изобретение может быть использовано для нанесения защитного покрытия на поверхность космических аппаратов для поддержания теплового режима. Состав терморегулирующего покрытия содержит белый пигмент на основе соединения кальция, силикатное связующее и дистиллированную воду в качестве растворителя. Силикатное связующее представляет собой жидкое натриевое либо калиевое стекло с силикатным модулем не менее 3,5. В качестве белого пигмента используется кальцит. Изобретение позволяет повысить светоотражающую способность, радиационную стойкость и адгезию покрытия. 2 ил., 1 табл., 2 пр.

Состав терморегулирующего покрытия, содержащий белый пигмент на основе соединения кальция и силикатное связующее, отличающийся тем, что в качестве белого пигмента он содержит карбонат кальция СаСО₃ в модификации кальцита, в качестве силикатного связующего жидкое натриевое либо калиевое стекло, с силикатным модулем не менее 3,5, и дистиллированную воду в качестве растворителя, при следующем содержании компонентов, масс. %: СаСО₃ 42,3-43,2, жидкое стекло 26,4-28,7 и дистиллированная вода остальное.