镁合金表面热控涂层构筑、性能调控及其抗空间紫外和电子辐照损伤机制

With the development of the space science, thermal control coatings on the exposed parts of the spacecraft with higher performance and reliability are urgently required. As a result, it is very important to design a new type of thermal control coating with high-performance. In this project, MgO-MxOy thermal control coating with low solar absorptance and high emissivity is in-situ grown on the surface of magnesium alloys using liquid phase plasma oxidation technology. After that, TiO2 and AZO films are fabricated on the thermal control coating by magnetron sputtering and atomic layer deposition, forming MgO-MxOy/TiO2/AZO thermal control coating on the surface of magnesium alloys. And the effect of the doping and multi-layer structure on the structure, composition and thermal control properties are investigated. The thermal control properties and the conductivity under ultraviolet-electron irradiation are tested by simulation test and the in-situ test, the damage mechanism under ultraviolet-electron irradiation is revealed and model for life prediction is build, aiming to provide theoretical basis and technical support for the preparation of thermal control coatings for long-life spacecraft of our country.

随着我国空间科学的不断发展，对航天器外露部件热控涂层性能和可靠性提出更高的要求，开发新型高性能热控涂层对提高航天器寿命和可靠性具有十分重要意义。本项目采用液相等离子体氧化技术，通过金属离子掺杂在镁合金表面原位构筑低吸收高发射MgO-MxOy热控涂层，并利用磁控溅射和原子层沉积技术在其表面层层组装TiO2和AZO膜层，进而在镁合金表面获得新型MgO-MxOy/TiO2/AZO热控涂层；探讨掺杂改性和层层组装等对热控涂层的微观结构、化学组成、太阳吸收率、发射率等性能的影响规律；采用空间紫外和电子综合模拟及原位测试技术，系统研究空间紫外和电子辐照作用下热控涂层太阳吸收率、发射率和导电性等性能的演化规律，揭示其在空间紫外和电子辐照作用下的损伤机制，并建立其寿命预测模型，从而为我国长寿命航天器用热控涂层材料研制提供理论基础和技术支持。

低吸辐比热控膜层是保障航天器外露铝和镁等轻质合金构件在轨工作温度稳定的有效手段之一。本项目首先采用液相等离子体电解氧化和磁控溅射技术在镁合金表面构筑了抗空间辐照低吸辐比热控膜层，依据热辐射定律、Fresnel方程和Maxwell-Gannett理论设计了具有低吸辐比特性的镁合金表面MgO-MxOy热控膜层化学组成和结构，热控膜层最优结构为MgO-MxOy（M: Al、Ca、Zn、Zr或Ti）。利用液相等离子体电解氧化技术在镁合金表面原位构筑了低吸辐比MgO-ZrO2热控膜层，热控膜层呈典型多孔状微观结构，其发射率和太阳吸收率分别为0.873和0.403。.为进一步提高热控膜层的抗辐照能力，利用磁控溅射技术制备了TiO2/MgO-ZrO2复合膜层，膜层的发射率为0.914，太阳吸收率为0.375，进一步增强了镁合金表面热控特性；复合后，膜层中出现了新的相组成：S-TiO2、MgTiO3、S-(Ti, Zr)O2和TinO2n-1，其晶格结构中Ti3+和氧空位缺陷增强了复合膜层短波区域光谱吸收性能，同时Mg-Ti-O和Zr-Ti-O化学键的存在提升了其长波光谱的发射率。.紫外辐照损伤效应研究表明，随着辐照时间延长，膜层的吸收率和质量损失率呈先增大后平缓趋势，发射率则略有增大；当辐照时间为5062 ESH时，复合膜层ΔαS为0.118，MgO-ZrO2热控膜层ΔαS为0.149，说明TiO2复合改性提高了其抗紫外辐照能力。微观形貌和化学组成表征分析表明，膜层微观结构的紫外辐照损伤较小，吸收率退化主要由于MgO在紫外光作用下发生分解，造成表面产生镁富集；TiO2可有效阻止紫外光进入膜层，抑制了MgO紫外分解，降低了紫外辐照的辐照损伤，进而揭示了镁合金表面热控膜层紫外辐照损伤机制，并初步建立了所得热控膜层在紫外辐照下的寿命预测模型。.此外，开展了铝合金表面抗静电热控膜层研究，采用液相等离子体电解氧化技术技术与磁控溅射技术相结合，在铝合金表面制备了AZO/Al2O3-ZnO抗静电热控膜层，膜层的吸收发射比在0.40-0.70内可调，表面方块电阻1-103 Ω/•内可调。.综上，本项目研究结果可为航天器热控材料选材提供理论和技术支持。