CN114192363A - 太阳吸收比可调型热控涂层制备方法、系统及隔热组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳吸收比可调型热控涂层制备方法、系统及隔热组件，包括：在结构散热区域或多层隔热组件面膜外侧采用不同太阳吸收比的涂层按面积比例交替均匀布置，根据散热区域形状、热源分布以及散热区域均温性能设置涂层间隔分布的几何参数。本发明可实现对散热面及多层隔热组件表面太阳吸收比进行无级调节，该方法制备的涂层或多层隔热组件面膜大大拓展了热控设计的自由度；在实现热控精细设计的同时还可节省热补偿资源。在被动热控为主的应用场合，可以将控温对象温度直接调节至目标温度附近。
Description
技术领域
本发明涉及空间飞行器热控技术领域，具体地，涉及一种太阳吸收比可调型热控涂层制备方法、系统及隔热组件。
背景技术
太阳吸收比αS是物体表面对太阳光谱的吸收比例。对于一个地球轨道上的无源等温物体，如果只考虑太阳直接辐射，当达到热稳定状态时，它所吸收的能量等于它所辐射出的能量，即αSES＝σεHT4，其中ES为到达表面的太阳光能量，σ为黑体辐射常数，εH为表面半球红外发射率，T为表面温度。航天器结构裸露表面一般采取热控涂层或包覆多层隔热组件的方法用来调控温度分布。在选定区域涂层种类后，表面的辐射性能则由涂层种类决定。涂层往往具有极大或极小的太阳吸收比，如舱外散热面一般具有较高的半球光发射率和较低的太阳吸收比，进而获得较高的散热效率。多层隔热组件的面膜一般也具有类似的设计。在空间环境下，随着在轨时间的增加，涂层逐渐发生性能退化，太阳吸收比从较低值变为较高值，对应的平衡温度也不断上升，成为热控方案论证过程的主要考虑因素。
在热设计过程中，往往出现涂层辐射性能与散热功率不匹配的情况，如某一散热区域热源分布面积大，而所选白漆涂层太阳吸收比过小，需要额外增加热功耗资源进行补偿。如若缩小散热面区域面积，可能带来温度不均等新的问题。多层隔热组件面膜的设计也有类似的情况。设计者常常希望获得与设计状态相协调的表面辐射性能，即取得介于极大值和极小值之间的某一中间值作为外表太阳吸收比设计值。在地面热平衡试验中，也往往希望在太阳模拟器条件下模拟退化后的太阳吸收比值，对散热情况进行较为真实的试验。目前已有的常用涂层往往具有固定的太阳吸收比，如白漆具有较低的太阳吸收比，黑漆则具有较高的太阳吸收比，一般不具可调节性。
上海硅酸盐研究所、航天材料及工艺研究所、航天五院五〇一所等对变发射率、变反射率涂层进行了研究，如航天材料及工艺研究所《一种变发射率、变反射率电致变色智能热控涂层及制备方法(申请号：201010622165.4)》、航天五院五〇一所《一种发射率可调型光学太阳反射器(申请号：200810186294.6)》这类涂层根据需要可以在外界驱动因素如电、热等因素的影响下进行发射率和吸收比的调节，但这类涂层需要消耗电等资源，空间环境下性能稳定性也不足，目前仍未大范围应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种太阳吸收比可调型热控涂层制备方法、系统及隔热组件。
根据本发明提供的一种太阳吸收比可调型热控涂层制备方法，包括：在结构散热区域或多层隔热组件面膜外侧采用不同太阳吸收比的涂层按面积比例交替均匀布置，根据散热区域形状、热源分布以及散热区域均温性能要求设置涂层间隔分布的几何参数。
优选的，所述涂层间隔分布的方式包括辐条分布、网格分布以及圆环分布。
优选的，所述喷涂的涂层包括高吸发比涂层和低吸发比涂层，所述高吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.6～0.95，所述低吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.08～0.50。
优选的，所述的涂层制备方法包括以下步骤：
步骤S1：根据太阳吸收比设计目标αS，结合散热面形状以及热源分布，对散热区域或多层隔热组件薄膜上不同太阳吸收比涂层的比例和布局进行设计，绘制涂层分布图；
步骤S2：根据涂层分布图，对喷涂区域的高吸发比涂层喷涂区进行遮蔽保护；
步骤S3：按照喷涂工艺对低吸发比涂层完成喷涂；
步骤S4：拆除喷涂区域的遮蔽保护，对已完成喷涂的低吸发比涂层进行遮蔽，按照喷涂工艺对高吸发比涂层完成喷涂；
步骤S5：拆除所有遮蔽保护，完成喷涂工序。
优选的，所述步骤S1中比例和布局的设计包括以下步骤：
步骤S1.1：选择太阳吸收比数值已知的高吸发比涂层和低吸发比涂层；
步骤S1.2：对喷涂区域内涂层面积区域分布进行计算；
SA+SB＝S
αSA×SA+αSB×SB＝αS×S
其中SA为高吸发比涂层的面积，SB为低吸发比涂层的面积，S为喷涂区域总面积，αSA为高吸发比涂层的太阳吸收比，αSB为低吸发比涂层的太阳吸收比，将αS带入以上两式，得到SA＝IAS，SA＝IBS，其中IA、IB为两种涂层的面积占比，并有IA+IB＝1。
步骤S1.3：根据比例关系，结合散热面区域形状和热源分布，选择合适的涂层布局，根据散热面均温性能，确定布局类型的几何参数。
根据本发明介绍的一种太阳吸收比可调型热控涂层制备系统，包括：在结构散热区域或多层隔热组件面膜外侧采用不同太阳吸收比的涂层按面积比例交替均匀布置，根据散热区域形状、热源分布以及散热区域均温性能设置涂层间隔分布的几何参数。
优选的，所述喷涂的涂层包括高吸发比涂层和低吸发比涂层，所述高吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.6～0.95，所述低吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.08～0.50。
优选的，所述的涂层制备系统包括以下模块：
模块M1：根据太阳吸收比设计目标αS，结合散热面形状以及热源分布，对散热区域或多层隔热组件薄膜上不同太阳吸收比涂层的比例和布局进行设计，绘制涂层分布图；
模块M2：根据涂层分布图，对喷涂区域的高吸发比涂层喷涂区进行遮蔽保护；
模块M3：按照喷涂工艺对低吸发比涂层完成喷涂；
模块M4：拆除喷涂区域的遮蔽保护，对已完成喷涂的低吸发比涂层进行遮蔽，按照喷涂工艺对高吸发比涂层完成喷涂；
模块M5：拆除所有遮蔽保护，完成喷涂工序。
优选的，所述模块M1中比例和布局的设计包括以下子模块：
模块M1.1：选择太阳吸收比数值已知的高吸发比涂层和低吸发比涂层；
模块M1.2：对喷涂区域内涂层面积区域分布进行计算；
SA+SB＝S
αSA×SA+αSB×SB＝αS×S
其中SA为高吸发比涂层的面积，SB为低吸发比涂层的面积，S为喷涂区域总面积，αSA为高吸发比涂层的太阳吸收比，αSB为低吸发比涂层的太阳吸收比，将αS带入以上两式，得到SA＝IAS，SA＝IBS，其中IA、IB为两种涂层的面积占比，并有IA+IB＝1。
模块M1.3：根据比例关系，结合散热面区域形状和热源分布，选择合适的涂层布局，根据散热面均温性能，确定布局类型的几何参数。
根据本发明提供的一种隔热组件，在隔热组件表面的薄膜上采用上述的太阳吸收比可调型热控涂层制备方法喷涂涂层。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明可实现对散热面及多层隔热组件表面太阳吸收比进行无级调节，该方法制备的涂层或多层隔热组件面膜大大拓展了热控设计的自由度；在实现热控精细设计的同时还可节省热补偿资源。在被动热控为主的应用场合，可以将控温对象温度直接调节至目标温度附近。
2、相较于涂层与多层隔热组件进行分区布置的方案，该方法避免进行多层隔热组件分块设计的问题，实施较简单，且有均温性较好的优点。
3、实施方法简单、调节灵活机动，风险较小，应用十分广泛。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明涂层辐条分布示意图；
图2为本发明涂层网格分布示意图；
图3为本发明涂层圆环分布示意图；
图4为本发明外表面涂层分布区域示例图；
图5为本发明多层隔热组件截面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明介绍了一种太阳吸收比可调型热控涂层制备方法，包括：在结构散热区域或多层隔热组件面膜外侧采用不同太阳吸收比的涂层按面积比例交替均匀布置，涂层采用喷涂或粘贴的方式，实现了太阳吸收比的无极调节；参照图1-图3，涂层间隔分布的方式包括辐条分布、网格分布以及圆环分布，根据散热区域形状、热源分布以及散热区域均温性能要求设置涂层间隔分布的几何参数。
具体如下：
a.由整体散热功率及散热条件要求确定散热区域的等效红外半球发射率及太阳吸收比，以下调整不改变上述两个参数；
b.根据散热区域轮廓设计间隔分布的条纹形状，条纹形状优选为内缩的轮廓形状，如圆轮廓散热区域内的涂层条纹为同心环状等；
c.对于多热源的安装板散热区域，根据热源分布情况对条纹分布比例进行调整，如高功率的热源安装区域低吸发比涂层比例调高，对应涂层条纹宽度调大；
d.根据散热区域均温性能要求对条纹宽度进行调节；如对散热面局部有较高温度均匀性要求的区域，其涂层分布条纹进行适当加密，条纹最小宽度优选为10mm。
喷涂的涂层包括高吸发比涂层和低吸发比涂层，所述高吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.6～0.95，所述低吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.08～0.50。
具体的，太阳吸收比可调型热控涂层制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据太阳吸收比设计目标αS，结合散热面形状以及热源分布，对散热区域或多层隔热组件薄膜上不同太阳吸收比涂层的比例和布局进行设计，绘制涂层分布图；
步骤S2：根据涂层分布图，对喷涂区域的高吸发比涂层喷涂区进行遮蔽保护；
步骤S3：按照喷涂工艺对低吸发比涂层完成喷涂；
步骤S4：拆除喷涂区域的遮蔽保护，对已完成喷涂的低吸发比涂层进行遮蔽，按照喷涂工艺对高吸发比涂层完成喷涂；
步骤S5：拆除所有遮蔽保护，完成喷涂工序。参照图4所示。
具体的，在步骤S1中，比例和布局的设计包括以下步骤：
步骤S1.1：选择太阳吸收比数值已知的高吸发比涂层和低吸发比涂层；选择某黑漆涂层A(半球红外发射率εHA，太阳吸收比αSA)作为高吸收比基础涂层，选择某白漆涂层B(半球红外发射率εHB，太阳吸收比αSB)作为低吸收比基础涂层。
步骤S1.2：对喷涂区域内涂层面积区域分布进行计算；
SA+SB＝S
αSA×SA+αSB×SB＝αS×S
其中SA为高吸发比涂层的面积，SB为低吸发比涂层的面积，S为喷涂区域总面积，αSA为高吸发比涂层的太阳吸收比，αSB为低吸发比涂层的太阳吸收比，将αS带入以上两式，得到SA＝IAS，SA＝IBS，其中IA、IB为两种涂层的面积占比，并有IA+IB＝1。
步骤S1.3：根据比例关系，结合散热面区域形状和热源分布，选择合适的涂层布局，例如辐条分布，网格分布等，根据散热面均温性能，确定布局类型的几何参数，如辐条分布的幅宽，网格分布的方块长宽等。
对于已进行表面处理获得了较高或较低太阳吸收比的结构件，则只需按涂层分布图喷涂一种涂层即可。采用胶粘贴膜方式进行涂层覆盖的，参考以上步骤，将喷涂对象由结构件改为热控薄膜，使用薄膜压敏胶或硅橡胶胶粘附着于散热表面。
下面结合实例对本发明做进一步说明。
实施例1：
如某散热面(总面积为S＝1㎡(1m×1m))希望得到太阳吸收比αS＝0.55，半球红外发射率εH＝0.87的辐射特性，以下进行基础涂层的选择和分布设计：
1)选择SR107-E51黑漆涂层(εHA＝0.88±0.02，αSA＝0.93±0.02)作为高吸收比基础涂层，选择S781白漆涂层(εHB＝0.87±0.02，αSB＝0.18±0.02)作为低吸收比基础涂层；
2)对散热面区域内涂层面积区域分布进行计算：
SA+SB＝S
αSA×SA+αSB×SB＝αS×S
其中SA为SR107-E51黑漆涂层面积，SB为S781白漆涂层面积。将αS＝0.55带入以上两式，得到SA＝0.493S，SB＝0.507S。该条件下，半球红外发射率则未发生显著变化。
3)根据热源布局选择合适的涂层分布方案，由于SA与SB面积相差不大，设计为辐条型分布(参照图1)，其中SR107-E51黑漆辐条幅宽为49.3mm，S781白漆涂层辐条幅宽为50.7mm，两种漆层辐条数均为10。
实施例2：
某多层隔热组件面膜((总面积为S＝1㎡(1m×1m)种类为聚酰亚胺薄膜镀铝二次表面镜)希望得到太阳吸收比αS＝0.65，半球红外发射率εH≥0.7的辐射特性，以下进行涂层的选择和分布设计：
1)由于聚酰亚胺薄膜镀铝二次表面镜太阳吸收比αSD＝0.38，半球红外发射率εHD＝0.69，选择一种太阳吸收比较高的涂层对面膜进行局部覆盖即可达到目的。本实施例选取SR107-E51黑漆涂层(εHA＝0.88±0.02，αSA＝0.93±0.02)作为高吸收比基础涂层。
2)对多层隔热组件面膜区域内涂层面积区域分布进行计算：
SC+SD＝S
αSC×SC+αSD×SD＝αS×S
其中SC为SR107-E51黑漆涂层面积，SD为原聚酰亚胺薄膜镀铝二次表面镜喷涂后剩余面积。将αS＝0.65带入以上两式，得到SC＝0.49S，SD＝0.51S。该条件下，区域当量半球红外发射率变化为0.78。
3)根据热源布局选择合适的涂层分布方案，由于黑漆喷涂面积约为30％，设计为网格型分布(参照图2)，其中SR107-E51黑漆喷涂为正方形区域，长宽均为70mm，黑漆区域四各方向间隔均为30mm。
确定了涂层分布方案，按权利要求3中的步骤2～步骤5在聚酰亚胺薄膜镀铝二次表面镜上完成两种涂层的喷涂，即获得当量太阳吸收比αS＝0.65，当量半球红外发射率εH＝0.78的面膜。
4)使用以上方法制备的面膜按照多层隔热组件加工工艺规范进行多层隔热组件加工即获得经太阳吸收比调节后的多层隔热组件。
以上实施例得到的热控薄膜还可以通过压敏胶或硅橡胶胶粘的方式贴于结构表面应用。
在实施例1和实施例2中，如散热面或多层隔热组件形状近似圆形，可采用图3的方法进行涂层分布设计。本发明的布局不限于图1-图3的三种形式，对其他型式的按面积比例设计的涂层布局图样不应被认为超出本发明范围。
确定了涂层分布方案，上述的步骤S2～步骤S5先后完成两种涂层的喷涂即获得当量太阳吸收比αS＝0.55，当量半球红外发射率εH＝0.87的散热面。
本发明还介绍了一种太阳吸收比可调型热控涂层制备系统，包括：在结构散热区域或多层隔热组件面膜外侧采用不同太阳吸收比的涂层按面积比例交替均匀布置，根据散热区域形状、热源分布以及散热区域均温性能设置涂层间隔分布的几何参数。喷涂的涂层包括高吸发比涂层和低吸发比涂层，所述高吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.6～0.95，所述低吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.08～0.50。
具体的，太阳吸收比可调型热控涂层制备系统，包括以下模块：
模块M1：根据太阳吸收比设计目标αS，结合散热面形状以及热源分布，对散热区域或多层隔热组件薄膜上不同太阳吸收比涂层的比例和布局进行设计，绘制涂层分布图；
模块M2：根据涂层分布图，对喷涂区域的高吸发比涂层喷涂区进行遮蔽保护；
模块M3：按照喷涂工艺对低吸发比涂层完成喷涂；
模块M4：拆除喷涂区域的遮蔽保护，对已完成喷涂的低吸发比涂层进行遮蔽，按照喷涂工艺对高吸发比涂层完成喷涂；
模块M5：拆除所有遮蔽保护，完成喷涂工序。
具体的，在模块M1中，比例和布局的设计包括以下子模块：
模块M1.1：选择太阳吸收比数值已知的高吸发比涂层和低吸发比涂层；
模块M1.2：对喷涂区域内涂层面积区域分布进行计算；
SA+SB＝S
αSA×SA+αSB×SB＝αS×S
其中SA为高吸发比涂层的面积，SB为低吸发比涂层的面积，αSA为高吸发比涂层的太阳吸收比，αSB为低吸发比涂层的太阳吸收比，将αS带入以上两式，得到SA＝IAS，SA＝IBS，其中IA、IB为两种涂层的面积占比，并有IA+IB＝1。
模块M1.3：根据比例关系，结合散热面区域形状和热源分布，选择合适的涂层布局，根据散热面均温性能，确定布局类型的几何参数。
本发明还介绍了一种隔热组件，参照图5，在隔热组件表面的薄膜上采用上述的太阳吸收比可调型热控涂层制备方法喷涂涂层。参考以上方法制作的多层隔热组件面膜，按照多层隔热组件加工工艺完成多层隔热组件加工，可制备太阳吸收比可调节的多层隔热组件。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种太阳吸收比可调型热控涂层制备方法，其特征在于，包括：在结构散热区域或多层隔热组件面膜外侧采用不同太阳吸收比的涂层按面积比例交替均匀布置，根据散热区域形状、热源分布以及散热区域均温性能要求设置涂层间隔分布的几何参数。
2.根据权利要求1所述的太阳吸收比可调型热控涂层制备方法，其特征在于：所述涂层间隔分布的方式包括辐条分布、网格分布以及圆环分布。
3.根据权利要求1所述的太阳吸收比可调型热控涂层制备方法，其特征在于：所述喷涂的涂层包括高吸发比涂层和低吸发比涂层，所述高吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.6～0.95，所述低吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.08～0.50。
4.根据权利要求1所述的太阳吸收比可调型热控涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据太阳吸收比设计目标αS，结合散热面形状以及热源分布，对散热区域或多层隔热组件薄膜上不同太阳吸收比涂层的比例和布局进行设计，绘制涂层分布图；
步骤S2：根据涂层分布图，对喷涂区域的高吸发比涂层喷涂区进行遮蔽保护；
步骤S3：按照喷涂工艺对低吸发比涂层完成喷涂；
步骤S4：拆除喷涂区域的遮蔽保护，对已完成喷涂的低吸发比涂层进行遮蔽，按照喷涂工艺对高吸发比涂层完成喷涂；
步骤S5：拆除所有遮蔽保护，完成喷涂工序。
5.根据权利要求4所述的太阳吸收比可调型热控涂层制备方法，其特征在于：所述步骤S1中比例和布局的设计包括以下步骤：
步骤S1.1：选择太阳吸收比数值已知的高吸发比涂层和低吸发比涂层；
步骤S1.2：对喷涂区域内涂层面积区域分布进行计算；
SA+SB＝S
αSA×SA+αSB×SB＝αS×S
其中SA为高吸发比涂层的面积，SB为低吸发比涂层的面积，S为喷涂区域总面积，αSA为高吸发比涂层的太阳吸收比，αSB为低吸发比涂层的太阳吸收比，将αS带入以上两式，得到SA＝IAS，SA＝IBS，其中IA、IB为两种涂层的面积占比，并有IA+IB＝1。
步骤S1.3：根据比例关系，结合散热面区域形状和热源分布，选择合适的涂层布局，根据散热面均温性能，确定布局类型的几何参数。
6.一种太阳吸收比可调型热控涂层制备系统，其特征在于，包括：在结构散热区域或多层隔热组件面膜外侧采用不同太阳吸收比的涂层按面积比例交替均匀布置，根据散热区域形状、热源分布以及散热区域均温性能设置涂层间隔分布的几何参数。
7.根据权利要求1所述的太阳吸收比可调型热控涂层制备系统，其特征在于：所述喷涂的涂层包括高吸发比涂层和低吸发比涂层，所述高吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.6～0.95，所述低吸发比涂层的太阳能吸收比αS为0.08～0.50。
8.根据权利要求6所述的太阳吸收比可调型热控涂层制备系统，其特征在于，包括以下模块：
模块M1：根据太阳吸收比设计目标αS，结合散热面形状以及热源分布，对散热区域或多层隔热组件薄膜上不同太阳吸收比涂层的比例和布局进行设计，绘制涂层分布图；
模块M2：根据涂层分布图，对喷涂区域的高吸发比涂层喷涂区进行遮蔽保护；
模块M3：按照喷涂工艺对低吸发比涂层完成喷涂；
模块M4：拆除喷涂区域的遮蔽保护，对已完成喷涂的低吸发比涂层进行遮蔽，按照喷涂工艺对高吸发比涂层完成喷涂；
模块M5：拆除所有遮蔽保护，完成喷涂工序。
9.根据权利要求8所述的太阳吸收比可调型热控涂层制备系统，其特征在于：所述模块M1中比例和布局的设计包括以下子模块：
模块M1.1：选择太阳吸收比数值已知的高吸发比涂层和低吸发比涂层；
模块M1.2：对喷涂区域内涂层面积区域分布进行计算；
SA+SB＝S
αSA×SA+αSB×SB＝αS×S
其中SA为高吸发比涂层的面积，SB为低吸发比涂层的面积，S为喷涂区域总面积，αSA为高吸发比涂层的太阳吸收比，αSB为低吸发比涂层的太阳吸收比，将αS带入以上两式，得到SA＝IAS，SA＝IBS，其中IA、IB为两种涂层的面积占比，并有IA+IB＝1。
模块M1.3：根据比例关系，结合散热面区域形状和热源分布，选择合适的涂层布局，根据散热面均温性能，确定布局类型的几何参数。
10.一种隔热组件，其特征在于：在隔热组件表面的薄膜上采用权利要求1-5任一项所述的太阳吸收比可调型热控涂层制备方法喷涂涂层。
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN108296140A (zh) * | 2018-01-09 | 2018-07-20 | 深圳瀚星翔科技有限公司 | 一种烟具机身的喷涂工艺 |
| CN111393882A (zh) * | 2020-03-24 | 2020-07-10 | 哈尔滨工业大学 | 一种耐紫外辐照低吸收率无机白色热控涂层及其制备方法 |
| CN111996491A (zh) * | 2020-09-10 | 2020-11-27 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | 一种太阳吸收率可设计的热控涂层及制备方法 |
-
2021
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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