CN109786951A - 一种热电防护一体化薄膜结构 - Google Patents

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周晖
赵栋才
郑军
李学磊
马占吉
武生虎
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Abstract

本发明属于卫星天线技术领域，涉及一种热电防护一体化薄膜结构。所述薄膜由依次位于天线基底上的过渡层、导电层、热控层和防护层组成，过渡层的材料为Cr或Ti；导电层的材料为Au、Ag、Cu或Al；热控层的材料为氧化硅或氧化铝；防护层的材料为Ge。本发明所述薄膜实现了热电防护一体化，有效的增强天线微波传输能力，并实现一定范围的温度控制，实现对空间环境和静电的防护。

Description

一种热电防护一体化薄膜结构
技术领域
本发明属于卫星天线技术领域，涉及一种热电防护一体化薄膜结构。
背景技术
天线作为卫星的重要载荷，已朝着轻量化、高精度的方向发展。轻量化要求天线必须采用复合材料制造；高精度要求天线的加工精度高，天线在轨工作温度温差小。但复合材料导电性较差，且各向异性，要求必须对天线做金属化处理；天线在轨工作过程中，会经历高低温交变和空间环境辐照，因此需要对天线做适当的保护措施。
目前，通过在复合材料表面镀制金属薄膜Al或Ag改善天线的导电性，通过在天线表面包覆太阳屏，实现温度控制和环境防护。由于太阳屏柔性薄膜幅宽固定导致大口径天线表面包覆拼接难度大，且接地可靠性低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热电防护一体化薄膜结构，所述薄膜可实现天线的微波传输、吸收发射比调制、防静电和空间环境防护。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种热电防护一体化薄膜结构，所述薄膜由依次位于天线基底上的过渡层、导电层、热控层和防护层组成。
所述过渡层的材料为Cr或Ti；过渡层能够有效的连接天线基底和薄膜，防止膜层剥落。
优选的，过渡层的厚度根据导电层的厚度可做适当调整：当导电层的厚度较大时，过渡层也比较厚，反之亦然。过渡层的厚度调节范围为80～120nm。
所述导电层的材料为Au、Ag、Cu或Al。
优选的，导电层的厚度大于等于相应传输波段下的导电层材料趋肤深度的2倍。
所述热控层的材料为氧化硅或氧化铝。
所述防护层的材料为Ge。为了防静电及空间环境对天线的损害，在热控层表面镀制Ge防护层，Ge具有微波透明、弱导电性和原子氧防护功能，能满足天线空间环境防护需求。同时，Ge防护层具有红外透明特性，不影响介质膜层对发射率的调制作用；此外，Ge防护层能起到静电防护作用，且通过和热控层的配合，能在较大的范围内调制吸收发射比。
优选的，所述热控层的厚度是根据热控层材料的发射率的调制要求设计。选择具有微波透明性能的介质膜氧化硅或氧化铝，通过介质膜的厚度调整发射率；所述防护层的厚度根据防护层材料的吸收率的调制要求设计，通过防护层的厚度调整吸收率，从而达到调整吸收发射比，控制温度的目的。如何根据发射率和吸收率设计材料的厚度为本领域的常规选择。
优选的，所述防护层的厚度为几十纳米量级，其厚度根据防护层材料的吸收率的调制要求设计。
优选的，所述防护层的厚度为20～50nm。
一种热电防护一体化薄膜的制备方法，所述方法步骤如下：
(1)天线基底表面清洗：根据天线基底复合材料结构，可通过超声方法清洗，也可以采用棉布蘸丙酮和乙醇对表面多遍擦洗，直到棉布颜色不再发生变化为止，得到清洁的天线基底；以满足热电防护一体化薄膜制备需求。
(2)过渡层制备：选择能和天线基底复合材料有效结合，也能和导电层材料有效结合的材料Cr、Ti等金属材料作为过渡层材料，以电弧离子镀技术在清洁的天线基底表面镀制过渡层。
优选的制备技术参数：阴极靶为纯Cr靶，真空度(2.0-7.0)╳10-2Pa，弧光电流在60-100A之间，靶基距在600-1000mm为宜。通过控制镀制时间得到所述厚度的过渡层。制备的Cr薄膜要求其性能和Cr块体材料性能接近。
(3)导电层制备：根据天线工作频段所对应的待镀材料的趋肤深度为依据设计膜层厚度，以Ka波段，导电层材料为Al为例，导电层厚度大于1μm；制备技术采用能够适应大面积、较复杂表面特征的电弧离子镀沉积技术。
优选的制备技术参数：阴极靶为纯Al靶，真空度(2.0-7.0)╳10-2Pa，弧光电流在60-100A之间，靶基距在600-1000mm为宜。通过控制镀制时间得到所述厚度的导电层。制备的Al薄膜要求其性能和Al块体材料性能接近。
(4)热控层制备：即介质膜的制备，根据天线运行轨道等因素提出的吸收发射比要求，设计介质膜的厚度；制备技术采用离子束反应磁控溅射镀膜技术。
优选的制备参数：阴极靶为硅靶；通入的气体为氩气和氧气，流量比例为9:1；真空室压力0.2-0.5Pa，溅射功率5000-6000W。通过控制镀制时间得到所述厚度的热控层。制备的氧化硅膜层性能要求和晶体氧化硅接近。
(5)防护层制备：Ge膜的厚度控制在几十个纳米的量级，制备技术采用磁控溅射镀膜技术。Ge膜的厚度均匀性以不引起微波相移为控制目标。
优选的制备参数：阴极靶为锗靶；通入的气体为氩气；真空室压力0.2～0.5Pa，溅射功率2000～3000W。通过控制镀制时间得到所述厚度的防护层。制备的Ge膜层性能要求和Ge块体材料性能接近。
有益效果
本发明所述薄膜实现了热电防护一体化，有效的增强天线微波传输能力，并实现一定范围的温度控制，实现对空间环境和静电的防护，减少天线的加工步骤，提高可靠性。
卫星天线要实现通讯传输，其表面导电性能越高越好，本发明通过镀制金属实现高导电性；为了实现温度控制功能，在金属膜层表面镀制具有微波透明性能的介质膜(氧化硅或氧化铝)，通过介质膜的厚度调整发射率，从而达到调整吸收发射比，控制温度的目的；为了防静电及空间环境对天线的损害，在介质膜表面镀制Ge膜，Ge膜具有微波透明、弱导电性和原子氧防护功能，能满足天线空间环境防护需求。利用薄膜结构从最底层到表面层依次为过渡层，导电层、氧化硅或氧化铝介质膜层和锗弱导电层的薄膜结构，实现天线的微波传输、吸收发射比调制、防静电和空间环境防护。
附图说明
图1为本发明的膜层结构断面示意图；
图2为热控层为氧化硅膜，厚度为300nm，防护层为Ge膜，厚度为40nm时的理论反射光谱设计图；
图3为热控层为氧化硅膜，厚度为600nm，防护层为Ge膜，厚度为40nm时的理论反射光谱设计图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例中，天线的传输波段为Ka波段，吸收发射比在1到2之间。
如图1所示，一种热电防护一体化薄膜结构，所述由依次位于天线基底5上的过渡层4、导电层3、热控层2和防护层1组成。
其中，过渡层4的材料为Cr，厚度为80nm。
所述导电层3的材料为Al，厚度为1.5μm。
所述热控层2的材料为氧化硅，厚度为500nm。
所述防护层1的材料为Ge，厚度为40nm。
本实施例所述的一种热电防护一体化薄膜的制备方法，所述方法步骤如下：
(1)天线基底5表面清洗：采用棉布蘸丙酮和乙醇对天线碳纤维复合材料表面多遍擦洗，直到棉布颜色不再发生变化为止，以满足热电防护一体化薄膜制备需求。
(2)过渡层4制备：选择Cr为过渡层4，以电弧离子度技术制备。Cr层的设计厚度为80nm，膜层厚度通过镀制时间保证。
在制备中，阴极靶为纯Cr靶，通入真空室氩气，调整真空度为4.0╳10-2Pa，弧光电流为70A，靶基距为800mm，膜层厚度通过镀制时间保证。
(3)导电层3制备：导电层3材料选择Al，采用电弧离子镀技术制备，厚度控制在1.5μm，膜层厚度通过镀制时间保证。
在制备中，阴极靶为纯Al靶，通入真空室氩气，调整真空度为4.0╳10-2Pa，弧光电流为70A，靶基距为800mm，膜层厚度通过镀制时间保证。
(4)热控层2制备：热控层2材料选择氧化硅，采用离子束反应磁控溅射技术镀制氧化硅薄膜，厚度控制在500nm。
在制备中，阴极靶为硅靶，通入氩气和氧气，比例为9:1，调整真空室压力为0.3Pa，溅射功率为6kW，膜层厚度通过镀制时间保证。
(5)防护层1制备：防护层1材料为Ge，制备技术为磁控溅射技术，薄膜厚度为40nm。
在制备中，阴极靶为锗靶，通入氩气，调整真空室压力为0.3Pa，溅射功率为3kW，膜层厚度通过镀制时间保证。
当热控层为氧化硅膜，厚度为300nm，防护层为Ge膜，厚度为40nm时的理论反射光谱设计结果如图2所示；当为热控层为氧化硅膜，厚度为600nm，防护层为Ge膜，厚度为40nm时的理论反射光谱设计结果如图3所示。本实施例所述一种热电防护一体化薄膜的反射光谱和图3相似，实现了将吸收发射比控制在1到2之间的目标。
在天线基底表面镀制该热电防护一体化薄膜，能有效的增强天线微波传输能力，并实现一定范围的温度控制，实现对空间环境和静电的防护。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热电防护一体化薄膜，其特征在于：所述薄膜由依次位于天线基底(5)上的过渡层(4)、导电层(3)、热控层(2)和防护层(1)组成；
过渡层(4)的材料为Cr或Ti；
导电层(3)的材料为Au、Ag、Cu或Al；
热控层(2)的材料为氧化硅或氧化铝；
防护层(1)的材料为Ge。
2.如权利要求1所述的一种热电防护一体化薄膜，其特征在于：所述过渡层(4)的厚度为80～120nm。
3.如权利要求1所述的一种热电防护一体化薄膜，其特征在于：所述导电层(3)厚度大于等于相应传输波段下的导电层材料趋肤深度的2倍。
4.如权利要求1所述的一种热电防护一体化薄膜，其特征在于：所述热控层(2)的厚度根据发射率要求进行选择。
5.如权利要求1所述的一种热电防护一体化薄膜，其特征在于：所述防护层(1)的厚度为几十纳米量级。
6.如权利要求1所述的一种热电防护一体化薄膜，其特征在于：所述防护层(1)的厚度为20～50nm。
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