CN109490179B - 一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法，在掌握材料近紫外辐射退化机理的情况下，研究材料在近紫外辐射下性能退化的规律，建立性能退化模型，以地面较短试验周期的结果为基础，外推空间长期近紫外辐照下材料性能的退化结果；薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法可以以较短周期的地面模拟试验预示长寿命航天器用薄膜热控涂层在近紫外辐射下的性能退化，提高试验效率，节约试验成本，为薄膜热控涂层的可靠性设计提供技术支撑。

Description

一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法

技术领域

本发明属于空间环境工程技术领域，具体涉及一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法。

背景技术

卫星热控系统是保证卫星中的各类装置和仪器能够在一个比较稳定的温度环境中工作的重要系统，而热控涂层是卫星热控系统中应用最多的一种涂层材料，是实现卫星被动热控制的关键所在。热控涂层种类很多，在国内外航天器中用得最多的是涂料型涂层和二次表面镜涂层。二次表面镜型热控涂层由薄膜材料和真空镀膜金属底层组成。由于塑料薄膜二次表面镜质量小、易于弯曲成型、可以大面积制备，在航天器热控制设计中得到了广泛应用。

卫星处于轨道上时，由于失去大气层的保护，所有波段的太阳电磁辐射都能够照射到航天器的表面。紫外辐射光子的能量较高，会对航天器表面材料的性能产生很大的影响。薄膜热控涂层长期受到紫外辐照将引起其太阳吸收比的增加，降低其光学性能，而光学性能的退化对于热控涂层来说是需要重点考虑和评估的问题。对于长寿命卫星而言，热控涂层在轨使用前应开展严格的地面模拟试验，以考核其耐受太阳紫外辐射的能力。由于近紫外辐照加速倍数有限(近紫外最大为5倍)，通过地面模拟试验等效模拟材料在轨全寿命周期经受的近紫外辐照量，试验周期和成本都不允许。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法，具体为在近紫外辐射下镀铝聚酰亚胺热控涂层太阳吸收比α随近紫外辐照量t(ESH)变化的预测方法，该方法可以以较短周期的地面模拟试验预示长寿命航天器用薄膜热控涂层在近紫外辐射下的性能退化，提高试验效率，节约试验成本。

本发明的一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法，包括如下步骤：

对薄膜热控涂层开展紫外辐射试验，获取不同辐照剂量t下薄膜热控涂层的太阳吸收比α；将试验获得的多组辐照剂量t与对应的太阳吸收比α代入到性能退化预测模型：α＝1-exp[A+Bexp(-t/τ)]；其中τ为时间常量；

然后拟合得到预测模型中参数A和B的值，由此得到性能退化预测模型的表达式，由此对薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化进行预测。

较佳的，所述紫外辐照试验中，采用汞氙灯作为紫外辐射试验中的紫外光源。

较佳的，所述紫外辐照试验中，紫外辐照的剂量从0到15000ESH逐渐升高。

本发明具有如下有益效果：

本发明的一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法，在掌握材料近紫外辐射退化机理的情况下，研究材料在近紫外辐射下性能退化的规律，建立性能退化模型，以地面较短试验周期的结果为基础，外推空间长期近紫外辐照下材料性能的退化结果；薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法可以以较短周期的地面模拟试验预示长寿命航天器用薄膜热控涂层在近紫外辐射下的性能退化，提高试验效率，节约试验成本，为薄膜热控涂层的可靠性设计提供技术支撑。

附图说明

图1为镀铝聚酰亚胺薄膜截面图。

图2为镀铝聚酰亚胺薄膜太阳吸收比与近紫外辐照量的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明在掌握材料近紫外辐射退化机理的情况下，研究材料在近紫外辐射下性能退化的规律，建立性能退化模型，以地面较短试验周期的结果为基础，外推空间长期近紫外辐照下材料性能的退化结果，具体步骤包括：

1)退化模型建立

镀铝聚酰亚胺薄膜热控涂层是一种薄膜型二次表面镜，其组成结构可以简化为透射层和反射层，聚酰亚胺薄膜为一层透射层(设其厚度为x，吸收系数为K)，镀铝层为反射层(设其反射比为r)。如附图1所示：

首先给出太阳吸收比的表达式，根据比尔定律，

I(x)＝I₀e^-σx (1)

式中：I₀为入射在材料表面的光强，σ为材料对光的吸收系数，x为光进入材料的深度，I(x)为材料内x深度处的光强。材料太阳吸收比的含义为吸收的与入射的太阳辐射能通量之比值。假定入射的太阳辐射能通量为I₀，则出射的通量为

I＝I₀·exp(-Kx)·r·exp(-Kx)＝I₀rexp(-2Kx) (2)

吸收的太阳辐射能通量为入射的通量与出射的通量之差，则太阳吸收比可表示为

α＝[I₀-I₀rexp(-2Kx)]/I₀＝1-rexp(-2Kx) (3)

对于二次表面镜而言，光强度的改变可用下式表示：

dI＝±K(x,t)Idx (4)

式中负号表示光向内的路径，正号表示光向外的路径。由于近紫外辐照在材料中的作用深度有限，经辐照作用后，吸收系数与作用时间和入射深度间呈指数函数关系，其关系可表示为：

K(x,t)＝K₀+f(t)exp(-x/D) (5)

式中K₀为材料试验前的吸收系数；f(t)是一个与时间相关的函数(在近紫外加速因子小于5时，忽略加速因子对材料性能的影响，则t可等效为近紫外辐照量—当量太阳小时，单位为ESH)，表征材料受辐照损伤区域颜色变暗的程度，也就是材料在辐照下产生的吸收光的区域，这些区域被称为色心；D为近紫外辐射的作用深度，假定材料的总厚度为T，结合(3)～(5)式，可得：

1-α＝(1-α₀)exp{-2f(t)D[1-exp(-T/D)]} (6)

其中α₀为材料紫外辐照作用前的初始太阳吸收比。f(t)基于这样的假设，材料中的某些位置对辐照敏感，当某一晶格在近紫外光光子作用下产生色心后，之后入射的粒子对它不起反应。因此，色心浓度会在一定时间后趋于饱和。材料增加的吸收系数值与色心数目成正比，有：

f(t)＝f_f[1-exp(-t/τ)] (7)

式中τ为时间常量，可根据(7)式获得；f_f为增加的吸收系数的饱和值。将(7)式代入(6)式，(6)式可表示为：

α＝1-exp[A+Bexp(-t/τ)] (8)

式中：

A＝ln(1-α₀)-B (9)

B＝2Df_f[1-exp(-T/D)] (10)

至此建立了镀铝聚酰亚胺薄膜太阳吸收比与近紫外辐照量(时间)之间的数理关系。

2)模型求解

应用材料近紫外辐照试验设备及太阳吸收比测试仪器，针对镀铝聚酰亚胺薄膜开展近紫外辐照试验，并在试验过程中设置多个测试点，获得一组太阳吸收比α和近紫外辐照量t(ESH)的对应数据，应用式(8)进行数据拟合，即可求的A、B的值，至此即建立了薄膜热控涂层近紫外辐射下太阳吸收比的性能退化预测模型。

实施例1

一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法，具体为在近紫外辐照下薄膜热控涂层太阳吸收比α随近紫外辐照量t(ESH)变化的预测方法。

针对镀铝聚酰亚胺薄膜开展了近紫外辐照试验，辐照光源为汞氙灯，加速因子4～5倍，总辐照量为15000ESH，为获得材料太阳吸收比随近紫外辐照量的变化关系，在试验中设置了多个测试点，包括0、100、200、300、400、500、750、1000、1250、1500、1750、2000、2250、2500、2750、3000、3500、4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000、8000、9000、10000、12000、14000和15000(单位均为ESH)。图2为镀铝聚酰亚胺薄膜太阳吸收比与近紫外辐照量的关系曲线图。

对于镀铝聚酰亚胺薄膜近紫外辐照下太阳吸收比退化，其基础模型为：

α＝1-exp[A+Bexp(-t/τ)] (11)

其中A、B为待定参数，代入试验数据进行拟合求解后，最终模型为：

应用镀铝聚酰亚胺薄膜前5000ESH的试验数据建立近紫外预示模型，比较在15000ESH的预示值和实测值，结果显示，模型预示偏差在5％以内，证明了模型的有效性，满足材料评价考核的工程需求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

对薄膜热控涂层开展紫外辐射试验，获取不同辐照剂量t下薄膜热控涂层的太阳吸收比α；将试验获得的多组辐照剂量t与对应的太阳吸收比α代入到性能退化预测模型：α＝1-exp[A+B exp(-t/τ)]；其中τ为时间常量；

然后拟合得到预测模型中参数A和B的值，由此得到性能退化预测模型的表达式，由此对薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化进行预测；

其中，参数A为A＝ln(1-α₀)-B；参数B为B＝2Df_f[1-exp(-T/D)]；

其中，α₀为材料紫外辐照作用前的初始太阳吸收比，D为近紫外辐射的作用深度，假定材料的总厚度为T，f_f为增加的吸收系数的饱和值。

2.如权利要求1所述的一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法，其特征在于，所述紫外辐照试验中，采用汞氙灯作为紫外辐射试验中的紫外光源。

3.如权利要求1所述的一种薄膜热控涂层近紫外辐射下性能退化预测方法，其特征在于，所述紫外辐照试验中，紫外辐照的剂量从0到15000ESH逐渐升高。

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