СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ В ВАКУУМЕ
METHOD FOR OBTAINING TEMPERATURE CONTROL COATING IN VACUUM

Изобретение относится к области технологий нанесения покрытий в вакууме и может быть использовано для получения терморегулирующих покрытий класса «истинный отражатель» на изделиях космической техники.
В настоящее время на изделиях космической техники: кронштейны, проставки, различные корпусные детали, выносные панели и др., которые входят в состав систем пассивного терморегулирования, довольно часто возникает необходимость использования покрытий класса «солнечный» и «истинный» отражатели.
Системы терморегулирования космических антенн (КА) должны надежно работать в глубоком вакууме космического пространства и при наличии различных видов излучений. Из последних решающее значение имеют тепловое и видимое излучения Солнца.
Покрытия класса «солнечный» и «истинный» отражатели используются для поддержания температуры каждого элемента КА в течение всего космического полета в заданном рабочем диапазоне при воздействии теплового и видимого излучений Солнца
Покрытия класса «солнечный отражатель» обладают определенными тепловыми радиационными характеристиками: поглощательной способностью солнечной радиации As не более 0,2, излучательной способностью Е более 0,8.
Покрытия класса «истинный отражатель» обладают следующими тепловыми радиационными характеристиками: поглощательная способность As не более 0,2, излучательная способность Е не более 0,1.
Радиационная стойкость оценивается по изменению As (Δ As) при действии определенной дозы ультрафиолетового излучения Солнца, измеряемой в эквивалентных солнечных сутках (э.с.с.), и должна быть минимальной.
Достаточно простыми в технологическом отношении и стойкими к воздействию УФ-радиации по сравнению с различными типами покрытий (лакокрасочными, плазменными и др.) являются широко известные силикатные покрытия, состоящие из связующих и пигментов. В качестве связующих в исходных смесях используются жидкие стекла (водные растворы силикатов щелочных металлов), а пигментов - оксиды цинка и ортотитанат цинка.
Покрытия обладают низкими значениями исходной поглощательной способности, которая, однако, существенно увеличивается при УФ-облучении, что снижает возможность применения таких покрытий в процессе длительной эксплуатации.
Покрытия на основе оксидов цинка имеют хорошую радиационную стойкость (Δ As 0,04 за 50 э.с.с.), но исходные значения As сравнительно высокие (0,18-0,21), что также в ряде случаев ограничивает их использование.
При высоких значениях As увеличивается площадь отражающих поверхностей изделий, повышаются габаритно-массовые характеристики и снижается масса полезного груза. Поэтому для оптимизации работы системы пассивного терморегулирования требуются покрытия с низкими As и высокой радиационной стойкостью в условиях воздействия УФ-радиации Солнца.
3
Так, известна композиция для терморегулирующего покрытия класса "солнечные отражатели", включающая водный раствор метасиликата калия с кремнеземистым модулем 3,8-4,1 и плотностью 1,15-1,16 г/см и пигмент. Пигмент содержит титанат циркония с массовым соотношением ZiO2:TiO2, равным (40-60):(60-40). Композиция имеет следующее соотношение компонентов, мас.ч.
Вышеуказанный водный раствор метасиликата калия 58-65
Вышеуказанный титанат циркония 35-42
4
Для приготовления композиции необходимые количества титаната циркония (ZrTiO) и метасиликата калия загружают в фарфоровый барабан с соотношением фарфоровые шары:пигмент - 1:1 (по массе) и перемешивают на валковой мельнице 45-60 мин. Затем полученный шликер процеживают через капроновую сетку. Покрытие наносят краскораспылителем.
(см. патент РФ №2036208, кл. С04В 41/87, 1994 г.)
Известен состав терморегулирующего покрытия, включающий калий метасиликат с модулем не менее 4,5 при плотности 1,185-1,195 г/мл и дистиллированную воду, отличающийся тем, что в него введен в качестве пигмента цирконий (IV) оксид модифицированный особой чистоты по ТУ 2611-269-00209792-2001 при следующем соотношении ингредиентов, масс.%:
Цирконий (IV) оксид модифицированный 33-53
Указанный калий метасиликат 24-30
Дистиллированная вода 23-37
(см. патент РФ №2248954, кл. С04В 41/87, 2005 г.)
Технологии нанесения покрытий также весьма разнообразны.
Так известен способ плазменно-дугового нанесения покрытия в вакууме, включающий плазменно-дуговое испарение материала катода и последующую конденсацию полученных паров на очищенной подложке с бомбардировкой поверхности подложки ускоренными ионами, причем исходную плазму дугового испарителя дополнительно подогревают потоком неравновесной плазмы инертного газа до наведения плавающего потенциала на подложке проводимого технологического процесса и подложку в процессе нанесения покрытия поддерживают под плавающим потенциалом, а очистку поверхности подложки ведут ионами инертного газа, ускоренными плавающим потенциалом.
(см. патент РФ №2109083, кл. С23С 14/24, 1998 г.)
В результате анализа данного способа необходимо отметить, что из-за присутствия капельной структуры в получаемых покрытиях поглощательная способность солнечной радиации As значительно превышает значение 0,2, что неприемлемо.
Известен способ получения терморегулирующего покрытия в вакууме, включающий нанесение на изделие отражающего металлического слоя и последующее осаждение на него защитной пленки.
(см. патент РФ №2126458, кл. С23С 4/04, 1999 г.) - наиболее близкий аналог.
2
2
В результате анализа данного способа необходимо отметить, что полученные покрытия обладают приемлемыми терморадиационными свойствами (As и Е), но при этом имеют не очень высокую адгезионную прочность (Fотр.≤10 кгс/см) и износостойкость (N≤5 циклов при Fнагр.=1000 гр/см), что может сказаться на сохранности терморадиационных свойств покрытий при проведении сборочно-монтажных работ с системами терморегулирования.
Техническим результатом данного изобретения является разработка технологии нанесения покрытий в вакууме, обеспечивающей получение качественного терморегулирующего покрытия с повышенными адгезионной прочностью и износостойкостью.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе получения терморегулирующего покрытия в вакууме, включающем нанесение на изделие отражающего металлического слоя и последующее осаждение на него защитной пленки, новым является то, что защитную пленку осаждают из газовой фазы, полученной из смеси паров кремнийорганического соединения гексаметилдисилозана (ГМДС) и воздуха при соотношении 1:2, в плазме тлеющего разряда при парциальном давлении ГМДС 13,3÷26,6 Па и парциальном давлении воздуха 39,9÷53,2 Па.
Заявленный способ может быть осуществлен на действующем оборудовании, например вакуумной напылительной установке УВМ-1200У.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
-2
-5
Изделие, подлежащее нанесению покрытия, размещают в вакуумной камере с возможностью перемещения. Затем камера вакууммируется до давления 1×10 мм рт.ст., включается механизм перемещения изделия и осуществляется его ионная очистка (Uпер=3000B) в течение 10 минут. После этого камера вакууммируется до давления 1×10 мм рт.ст., и производится нанесение на подложку изделия слоя металла путем термического испарения. Далее в вакуумную камеру с помощью многоканальной напускной системы подается смесь паров кремнийорганического соединения ГМДС и воздуха при соотношении 1:2, возбуждается тлеющий разряд. Осаждение защитной полимерной пленки ведут при парциальном давлении ГМДС 13,3÷26,6 Па и парциальном давлении воздуха 39,9÷53,2 Па в течение 5-15 минут.
Указанные диапазоны режимных параметров обусловлены следующим.
При снижении соотношения парциального давления ГМДС и воздуха ниже указанного происходит образование на поверхности изделий белого порошка от следов объемной полимеризации, что приводит к ухудшению терморадиационных свойств покрытия (резкому возрастанию As≥0,2).
При повышении соотношения парциального давления ГМДС и воздуха выше указанного происходит образование пробоев при возбуждении плазмы тлеющего разряда, что приводит к образованию на поверхности покрытия «нагаров» и возрастанию поглощательной способности As≥0,2.
Сущность заявленного способа будет более понятна из приведенных ниже примеров его реализации.
Пример 1. На изделии сложной конфигурации из материала Амг-6 получали терморегулирующее покрытие толщиной 0,05 мкм. При этом осаждение защитной полимерной пленки в плазме тлеющего разряда на алюминиевое покрытие, нанесенное методом вакуумной металлизации, осуществляли в межэлектродном пространстве в смеси паров ГМДС и воздуха в соотношении 1:2 при парциальном давлении ГМДС - 20 Па, воздуха- 46,5 Па в течение 10 минут.
2
2
Изностойкость покрытия при нагрузке 1000 г/см - 16 циклов, адгезионная прочность - 60 кг/см.
Пример 2. На изделии сложной конфигурации из стеклопластика получали терморегулирующее покрытие толщиной 0,05 мкм. При этом осаждение защитной полимерной пленки в плазме тлеющего разряда на алюминиевое покрытие, нанесенное методом вакуумной металлизации, осуществляли в межэлектродном пространстве в смеси паров ГМДС и воздуха в соотношении 1:2 при парциальном давлении ГМДС - 15 Па воздуха - 40,5 Па. в течение 10 минут.
2
2
Износостойкость покрытия при нагрузке 1000 г/см - 18 циклов, адгезионная прочность - 72 кг/см.
Для сравнения наносили покрытия на аналогичные изделия без использования воздуха.
Сравнительные данные приведены в таблице.
Из приведенных примеров видно, что покрытия, полученные данным способом на изделиях из металлов и неметаллов, обладают значительно большей износостойкостью и адгезионной прочностью.
Использование данного способа получения терморегулирующего покрытия в вакууме на изделиях сложной конфигурации позволяет по сравнению с известными способами получать покрытия с более высокими прочностными и адгезионными характеристиками, повысить долговечность изделий за счет повышения качества терморегулирующего покрытия, т.е. надежности сохранения внешнего вида и прочностных характеристик.
Таблица
Способ нанесения
Толщина полимерной пленки, мкм
Характеристика качества
Износостойкость (количество циклов истирания до разрушения покрытия при нагрузке Р=1000 г/см<sup>2</sup>)
Адгезионная прочность Fотр., кгс/см<sup>2</sup>
Известный
0,05
5
10
Предлагаемый (на металл)
0,05
16
60
Предлагаемый (на неметалл)
0,05
18
72