Солнечный отражатель на основе двухслойных полых частиц SiO/ZnO Российский патент 2024 года по МПК C09D5/33 C09D183/04 C08K3/36 B82B3/00 B82Y20/00 

Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к терморегулирующим покрытиям класса «солнечный отражатель».

Одной из актуальных задач космического материаловедения является создание материалов, которые могут выдерживать экстремальные условия космоса, включая радиацию, экстремальную температуру и воздействие микрометеоритов. Двухслойные полые частицы на основе SiO₂ и ZnO выбраны для разработки терморегулирующих покрытий класса «солнечный отражатель», поскольку порошки-пигменты SiO₂ и ZnO и покрытия на их основе имеют высокую стойкость оптических свойств к воздействию протонов и электронов.

Изобретение может быть использовано в космической технике, в оптическом приборостроении, а также в строительной индустрии.

Имеется ряд терморегулирующих покрытий класса «солнечный отражатель» для металлических поверхностей с требуемыми оптическими свойствами, но обладающие невысокой стойкостью к воздействию факторов космического пространства. Аналогом изобретения является покрытие [Reflective Coating Composition. Application: 2008150546/15, 19.12.2008. Effective date for propertyrights: 19.12.2008. Inventor(s): Zhabrev V.A., Kuznetsova L.A., Efimenko L.P. et.al. Proprietor(s): Uchrezhdenie Rossijskoj akademii nauk Institut khimiisilikatov imeni I.V. Grebenshchikova (IKhSRAN)] для получения светостойкого отражающего покрытия, включающего в качестве наполнителя механическую смесь оксидов металла ZrO₂ (30-55 мас.%) и MgO (25-35 мас.%) с размером частиц 80-120 нм, в качестве связующего – жидкое стекло (20-25 мас.%). Недостатком данной композиции является то, что пигмент полностью на 100% состоит из наночастиц, стоимость которых во много раз превышает стоимость этих же соединений с частицами микронных размеров. Нанопорошки используются неэффективно с точки зрения повышения светостойкости, поскольку для этих целей достаточно несколько процентов наночастиц от массы пигмента, который они обволакивают, создавая слои, выступающие в качестве центров релаксации первичных дефектов, образованных облучением.

Известен способ выбора модификатора для пигмента ZrO₂ на основании измерений диэлектрической проницаемости соединений, в качестве которых могут выступать порошки Al₂O₃, SrO, MgO, SiO₂, SrNO₃ [Способ выбора модификатора для пигментов светоотражающих покрытий. Патент РФ № 2160295 от 10.12.2000 по заявке № 98114045 от 10.07.1998]. Этот способ позволяет обоснованно выбрать тип модификатора.

Известен способ повышения стойкости к действию излучений пигментного диоксида циркония путем модифицирования диоксидом кремния со средним размером гранул 5-110 мкм при следующем соотношении компонентов, масс.%: диоксид кремния 1÷7, диоксид циркония 93-99 [Пигмент для светоотражающих покрытий. Патент РФ № 2144932 от 27.01.2000, R2144932 по заявке № 98110024 от 27.05.2008]. Эффект повышения стойкости к действию излучений обусловлен тем, что на поверхности зерен и гранул ZrO₂ образуется защитная аморфная пленка SiO₂+nH₂O за счет разложения тетрахлорида кремния

SiCl₄+(n+2)H₂O→SiO₂nH₂O+4HCl (1)

Недостатком данного способа является сложность его осуществления и получения пленок с высокой сплошностью.

Технической задачей данного изобретения является разработка терморегулирующего покрытия на основе двухслойных полых частиц SiO₂/ZnO, имеющего высокую стойкость оптических свойств к воздействию протонов и электронов с энергией от 10 до 200 кэВ.

Эта задача решается тем, что терморегулирующее покрытие на основе двухслойных полых частиц SiO₂/ZnO было приготовлено при смешивании 50-70% по объему порошка-пигмента и 50-30% по объему кремнийорганического лака КО-921, которые были нанесены на алюминиевые подложки АМг6, предварительно покрытые грунтовкой из поливинилбутираля. Толщина слоя покрытия составляла примерно 200-250 мкм.

Двухслойные полые частицы SiΟ₂/ZnΟ формировались при смешивании коллоидного раствора полистирольных частиц, этанола, 3-триэтоксисилпропиламина и тетраэтилортосиликата в соотношении по объему 25:250:1:5 при температуре 50°С, с последующим добавлением ацетата цинка и 25% раствора гидроксида аммония в соотношении 5:25 к первичному раствору. После чего полученный раствор перемешивался при температуре 50°С. После чего полученный продукт был промыт несколько раз спиртом и высушен при 60°С на воздухе. Далее осуществляли ступенчатую термообработку от 200 до 600°С в течение 4-х часов.

На фиг.1а показана область, которая была проанализирована методом рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии. Из этого следует, что двухслойные полые частицы SiO₂/ZnO имеют сферическую форму со средним размером от 1400 до 1900 нм, и часть из них образует агломераты. Изображения, полученные на просвечивающем электронном микроскопе (фиг.1б), подтверждают наличие полой сферы, о чем свидетельствует повышенный контраст цвета по периферии. При детальном рассмотрении изображения можно различить структуры, напоминающие оболочки с толщинами 260-330 нм. Первая оболочка характеризует образование полой частицы диоксида кремния, вторая – оксида цинка.

Полученное терморегулирующее покрытие на основе двухслойных полых частиц SiO₂/ZnO устанавливают в вакуумной камере установки с источником электронов и протонов, камеру откачивают до давления P ≤ (1-5)·10^-6 тор, регистрируют спектр отражения до облучения, облучают электронами и протонами с энергией от 10 до 200 кэВ при температуре 300 К. Рассчитывают значение интегральной полусферической излучательной способности (ε) [Брамсон М. А. Инфракрасное излучение нагретых тел. – М.: Наука, 1964, 223 с.]. Расчет интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения (α_S) осуществляли по методике Джонсона [Johnson F.S. // Journal of Meteorological. 1954. V. 11. № 6. P. 431–439.] в соответствии с международными стандартами ASTM (E490-00a и E903-96) [ASTM E490 - 00a Standard Solar Constant and Zero Air Mass Solar Spectral Irradiance Tables. – 2019., ASTM E903 - 96 Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres. – 2005]. Регистрируют спектр отражения после облучения, вычитают спектр отражения после облучения из спектра отражения до облучения, получают разностный спектр, по нему рассчитывают значение изменения интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения ∆α_S.

Полученные значения характеристик разработанного терморегулирующего покрытия на основе двухслойных полых частиц SiO₂/ZnO показаны в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристики терморегулирующего покрытия на основе двухслойных полых частиц SiO₂/ZnO

α_S0 ε₀ ∆α_S, имитация 15 лет на ГСО Адгезия метод отрыва, MПа ≤ 0,11 > 0,94 ≤ 0,19 10

Технический результат использования изобретения заключается в том, что разработано терморегулирующее покрытие на основе двухслойных полых частиц SiO₂/ZnO, имеющее высокую стойкость оптических свойств к воздействию протонов и электронов с энергией от 10 до 200 кэВ.

Изобретение относится к терморегулирующим покрытиям класса «солнечный отражатель» и может быть использовано в космической технике, в оптическом приборостроении, а также в строительной индустрии. Предложено терморегулирующее покрытие на основе двухслойных полых частиц SiO₂/ZnO, приготовленное из 50-30% по объему кремнийорганического лака КО-921 и 50-70% по объему модифицирующих наночастиц, причем модифицирование осуществляется двухслойными полыми частицами SiO₂/ZnO со средним размером от 1400 до 1900 нм. Технический результат - разработано терморегулирующее покрытие на основе двухслойных полых частиц SiO₂/ZnO, имеющее высокую стойкость оптических свойств к воздействию протонов и электронов с энергией от 10 до 200 кэВ. 2 ил., 1 табл.

Терморегулирующее покрытие на основе двухслойных полых частиц SiO₂/ZnO, приготовленное из 50-30% по объему кремнийорганического лака КО-921, 50-70% по объему модифицирующих наночастиц, отличающееся тем, что модифицирование осуществляется двухслойными полыми частицами SiO₂/ZnO со средним размером от 1400 до 1900 нм.