МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
MULTIFUNCTIONAL COMPOSITE MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к области терморегулирующих материалов, эксплуатирующихся преимущественно в составе космической техники.
Многофункциональный композиционный материал предназначен для использования в качестве внешнего слоя экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) на наружных поверхностях космических аппаратов (КА) с электрическим заземлением на корпус КА или в качестве терморегулирующего покрытия класса "солнечный отражатель" при нанесении его с помощью клеевого электропроводного слоя на наружные поверхности, преимущественно теплоизлучающие поверхности КА.
В процессе эксплуатации поверхность КА нагревается под действием электромагнитного излучения (ЭМИ) Солнца. При этом уравнение теплового баланса плоской пластины, нормально ориентированной на Солнце, с теплоизоляцией на тыльной поверхности в условиях открытого космического пространства имеет вид:
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><mi>A</mi><mi>s</mi></mrow><mi>ε</mi></mfrac><mrow><mo>|</mo><mrow><mover accent="true"><mrow><munder accentunder="true"><mrow /><mo stretchy="true">_</mo></munder></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mo>|</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>I</mi><mi>s</mi></mrow><mrow><msub><mi>C</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mn>4</mn></mroot><mo>=</mo><mn>396,4</mn><mo>⋅</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><mi>A</mi><mi>s</mi></mrow><mi>ε</mi></mfrac></mrow><mn>4</mn></mroot></mrow>
,
где Т - равновесная температура поверхности пластины, [К];
As - коэффициент поглощения солнечного излучения освещенной поверхности;
ε - коэффициент излучения;
Is - плотность потока солнечного излучения;
о
о
-8
2
4
С - постоянная Стефана-Больцмана, С=5,67×10 [Вт/(мK)].
Отсюда видно, что температурный режим покрытия обеспечивается отношением терморадиационных характеристик As/ε его поверхности. Чем меньше отношение As/ε, тем эффективнее работает покрытие класса «солнечный отражатель».
Однако, кроме ЭМИ Солнца, на внешнюю поверхность ЭВТИ и другие поверхности КА воздействует корпускулярное излучение - потоки электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ). Под их действием на диэлектрических поверхностях КА скапливается неоднородный электростатический заряд. Периодически между областями поверхности с разными электрическими потенциалами происходят разряды, вызывающие помехи или даже сбои бортовой электронной аппаратуры и способствующие ухудшению характеристик оптических поверхностей. Для защиты от электризации необходимо нанесение на лицевую поверхность терморегулирующего материала электропроводных слоев, не ухудшающих характеристики As и ε материала.
Комплексное решение проблем терморегулирования и защиты элементов конструкции КА от электростатических разрядов достигается применением светоотражающих электропроводных экранов, "заземлённых" на корпус КА.
Требуемого соотношения As/ε можно достичь, используя прозрачный диэлектрический материал, обеспечивающий большую величину ε, и отражающий слой из материала с малым As на одной из сторон диэлектрического материала или на обеих его сторонах. При этом на лицевой стороне отражающий слой не должен снижать коэффициент излучения (степень черноты) ε прозрачного диэлектрического материала и при этом иметь достаточную электропроводность для эффективного снятия электростатического заряда. В то же время отражающий слой на тыльной стороне должен иметь минимальное значение коэффициента излучения - для снижения теплопередачи излучением в сторону поверхности КА. Кроме того, для эффективной работы терморегулирующего материала в течение всего срока службы КА необходимо стабильное сохранение соотношения As/ε, несмотря на повреждающее воздействие факторов космического пространства (солнечного излучения, потоков заряженных частиц).
-8
Известна радиопрозрачная солнцезащитная мембрана (US 5373305, 13.12.1994), покрывающая рефлектор антенны, включающая не менее двух диэлектрических листов полиимидной пленки толщиной 25 мкм, разделенных матом из стекловолокна, а лицевая поверхность верхнего диэлектрического листа снабжена электропроводным полупроводниковым покрытием, таким как германий, толщиной (2-6)10 м. Кроме того, внутренний диэлектрический лист может быть усилен приклеенной сеткой из полиэстера или стекловолокна. Основными недостатками данного аналога являются:
- недостаточная для эффективного снятия электростатического заряда электропроводность лицевой поверхности;
- наличие стекловолокна в составе мембраны может привести к появлению частиц стекловолокна в собственной внешней атмосфере КА, что может вызвать засорение прецизионных механических устройств, ошибки оптических и навигационных приборов. В современных КА использование материалов, содержащих открытое (не залитое связующим) стекловолокно, не допускается;
- большая масса и сложность конструкции;
- высокий коэффициент излучения тыльной стороны, что увеличивает нежелательную теплопередачу излучением от данной мембраны в сторону поверхности КА.
2
5
2
Известно многослойное покрытие (RU 2269146, 30.04.2003), состоящее из листов прозрачного диэлектрического материала подложки с прозрачным электропроводным покрытием на внешней поверхности и отражающим покрытием на тыльной поверхности. Прозрачное электропроводное покрытие включает не менее 2-х слоев, причем по крайней мере 1 из слоев содержит оксид церия, а удельное поверхностное сопротивление электропроводного покрытия выбрано в диапазоне от 2 кОм/см до 1×10 кОм/см; подложка выполнена из полиимидной пленки, а отражающий слой на тыльной стороне подложки выполнен в виде пленки металла с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм, причем толщина отражающего слоя выбрана в диапазоне 0,07…0,25 мкм.
Данное техническое решение принято за прототип.
Основной недостаток прототипа - не отвечающие требованиям использования в условиях космоса эксплуатационные характеристики за счет невысокой стабильности оптических свойств полиимидной пленки под действием факторов космического пространства (в основном - электромагнитного излучения Солнца коротковолнового диапазона и заряженных частиц радиационных поясов Земли); значительное увеличение коэффициента поглощения солнечного излучения As в процессе эксплуатации (с 0,3 в начале до 0,6-0,7 в конце срока службы 10-15 лет на геостационарной орбите). Это вызвано потемнением диэлектрической подложки - полиимидной пленки. Существуют пленки с более высокой стабильностью оптических характеристик - полиэтилентерефталатная, фторполимерная (Ф4МБ), но они обладают значительно меньшей радиационной стойкостью по механической прочности (возможно полное разрушение до окончания срока службы КА).
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности, надежности и срока эксплуатации материала.
П
2
5
2
Технический результат достигается тем, что многофункциональный композиционный материал состоит из листов прозрачного диэлектрического материала подложки с электропроводным покрытием на внешней поверхности и с отражающим слоем на тыльной стороне подложки, выполненным в виде пленки металла с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм; электропроводное покрытие выполнено прозрачным в диапазоне длин волн более 0,7-1 мкм, с высоким коэффициентом отражения в диапазоне длин волн менее 0,6 мкм, обладающим удельным поверхностным сопротивлением R электропроводного покрытия в диапазоне от 5 кОм/см до 5×10 кОм/см; и содержит не менее 3-х слоев, один из которых электропроводный светоотражающий слой, второй - дополнительный электропроводный слой, обеспечивающий требуемую электропроводность покрытия, и по крайней мере один слой является защитным; на тыльной стороне подложки может быть выполнен защитный слой; все слои материала выполнены радиационно-стойкими.
Подложку рекомендуется выполнять из полиимидной пленки толщиной от 12 до 60 мкм. Дополнительный электропроводный слой электропроводного покрытия можно выполнить газонепроницаемым, а внешний защитный слой - светоотражающим и на основе оксидного полупроводника.
-8
-8
6
Суть изобретения поясняется фиг.1, где изображено поперечное сечение материала. Он состоит из подложки 1, выполненной в виде полимерной пленки толщиной от 12 до 60 мкм, обеспечивающей коэффициент излучения ε не менее 0,6; расположенного на лицевой стороне подложки электропроводного покрытия, включающего в себя не менее 3-х функциональных слоев, в том числе внешний электропроводный светоотражающий слой 3 однородной толщины (например, в диапазоне от 6×10 м до 20×10 м) и с коэффициентом отражения солнечного излучения не менее 0,5; дополнительный электропроводный слой 4, который также может нести защитную функцию (защита светоотражающего слоя 3 от продуктов газовыделения подложки 1), и внешний защитный слой 2 (защита от химического взаимодействия с составляющими промышленной атмосферы, защита от истирания), который также может быть выполнен электропроводным и светоотражающим. На тыльной стороне подложки расположен электропроводный отражающий слой 5, выполненный из металла с высоким коэффициентом отражения (не менее 0,9) в интервале длин волн 0,3-2,4 мкм (например, высокочистого серебра или алюминия), непрозрачный для солнечного излучения и защищенный от внешних воздействий защитным слоем 6, при этом все слои материала выполнены радиационно-стойкими (с сохранением эксплуатационных свойств после облучения с поглощенной дозой свыше 6×10 Гр).
Подложка, как правило, выполняется из полиимидной пленки толщиной от 12 до 60 мкм. При толщине менее 12 мкм мала механическая прочность материала и не обеспечивается требуемый коэффициент излучения. При толщине более 60 мкм не происходит существенного увеличения коэффициента излучения, но увеличивается удельная масса материала. Кроме полиимидной пленки могут быть использованы и другие материалы, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства многофункционального композиционного материала.
2
5
2
2
2
2
7
2
Поверхностное сопротивление дополнительного электропроводного слоя 4 выбирается в пределах от 5 кОм/см до 5×10 кОм/см  по следующим причинам: при меньших величинах сопротивления (менее 5 кОм/см) под действием излучения Солнца возможно дальнейшее уменьшение сопротивления ниже критического (2 кОм/см), при котором происходит снижение коэффициента излучения материала; при больших сопротивлениях может недопустимо увеличиваться напряжение зарядки поверхности материала. При этом учитывается, что полупроводниковые материалы, которые можно применить для изготовления электропроводящего светоотражающего слоя 3, имеют типичный диапазон поверхностного сопротивления от 10 до 10 и более кОм/см и, следовательно, сопротивление внешнего покрытия будет определяться дополнительным электропроводным слоем 4.
В процессе эксплуатации лицевая поверхность материала подвергается воздействию солнечного излучения и потока заряженных частиц.
Солнечное излучение отражается от отражающих слоев покрытий, расположенных с внешней и тыльной сторон пленки (~60%), оставшаяся часть излучения поглощается в них (слои 3, 5), слоях 2, 4 и подложке 1 (~40%). За счет воздействия потоков заряженных частиц в материале накапливается электростатический заряд, который по внешним (3, 4) и тыльному (5) электропроводным слоям стекает к точке «заземления» на корпус КА.
При этом благодаря выполнению электропроводного покрытия прозрачным в диапазоне длин волн более 0,7-1 мкм инфракрасное излучение от подложки 1 беспрепятственно уходит в окружающее космическое пространство, что обеспечивает эффективный сброс тепла от узла КА, защищенного многофункциональным композиционным материалом.
Благодаря выполнению электропроводного покрытия с высоким коэффициентом отражения в диапазоне длин волн менее 0,6 мкм обеспечивается отражение коротковолновой части падающего солнечного излучения от внешней (лицевой) поверхности материала, поэтому подложка 1 подвергается воздействию только длинноволнового излучения, которое не вызывает сколько-нибудь заметной деградации оптических свойств подложки (коротковолновое излучение Солнца напротив является основным фактором, вызывающим ухудшение оптических свойств подложки 1). Таким образом, обеспечивается исключительно высокая стабильность оптических свойств многофункционального композиционного материала в целом.
Благодаря тому, что электропроводное покрытие содержит не менее 3-х слоев, по крайней мере один из которых обеспечивает требуемую электропроводность покрытия и по крайней мере один слой является защитным, расширяются возможности применения многофункционального композиционного материала за счет повышения стойкости к внешним воздействиям. Например, благодаря наличию внешнего защитного слоя 2 повышается стойкость электропроводного покрытия к истирающим нагрузкам, эрозионному воздействию плазмы стационарных плазменных двигателей коррекции и т.п. В результате обеспечивается высокая стабильность электрических и оптических характеристик и надежность материала. Благодаря наличию дополнительного электропроводного слоя 4 и возможности выполнения внешнего защитного слоя 2 электропроводным (например, на основе оксидного полупроводника) повышается надежность материала и стабильность его электрических характеристик.
Кроме того, дополнительный электропроводный слой 4 также может нести защитные функции, что дополнительно повышает надежность многофункционального композиционного материала и стабильность его оптических и электрических характеристик под действием факторов хранения и эксплуатации. Для этого слой 4 выполняется беспористым (газонепроницаемым), например, методом магнетронного распыления с ионным ассистированием (с дополнительной обработкой поверхности растущего покрытия ускоренными ионами).
Благодаря выполнению всех слоев материала радиационно-стойкими обеспечивается сохранение его эксплуатационных характеристик в течение 15 и более лет эксплуатации на околоземной орбите, в жестких условиях корпускулярного воздействия радиационных поясов Земли.
Таким образом, многофункциональный композиционный материал обладает следующими основными признаками: высокой стабильностью оптических свойств под действием повреждающих факторов космического пространства в течение всего срока службы КА, высокой радиационной стойкостью всех компонент, высокой эффективностью снятия электростатического заряда, соотношением As/ε не более 0,7; малой массой и простотой конструкции.
Благодаря совокупности указанных признаков материал обладает повышенной эффективностью и надежностью, стабильностью эксплуатационных характеристик (оптических и электрических) в течение всего периода жизненного цикла - от изготовления до конца эксплуатации в составе КА.
На предприятии разработаны и изготовлены опытные образцы покрытия. Проведенные испытания показали высокую стойкость покрытия к факторам хранения (воздействие переменных температур и влажности) и эксплуатации (воздействие вакуума, циклического изменения температур, ионизирующих излучений). Пример состава и типичные характеристики образцов различных вариантов покрытия приведены в таблице.
Из известных авторам патентно-информационных источников не известна совокупность признаков, сходных с признаками заявляемого объекта.
Состав и свойства некоторых вариантов многофункционального композиционного покрытия
Лицевая сторона
Подложка 1
Тыльная сторона
Слой 2
Слой3
Слой 4
As *
ε
R<sub>П</sub>, кОм/см<sup>2</sup>
Слой 5
Слой 6
ε
In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, 0,01 мкм
Ge, 0,07 мкм
In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, 0,03 мкм
0,32
0,65
10
Пленка полиимидная 20 мкм
Аl, 0,1 мкм
SiO<sub>2-x</sub>, 0,04 мкм
0,03
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, 0,01 мкм
Ge, 0,07 мкм
In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, 0,01 мкм
0,29
0,67
10<sup>4</sup>
Пленка полиимидная 20 мкм
Ag, 0,1 мкм
Ni-Cr, 0,04 мкм
0,06
ZnO:Ga, 0,02 мкм
Ge-Si, 0,10 мкм
SnO<sub>2</sub>, 0,02 мкм
0,35
0,70
10<sup>4</sup>
Пленка 40 мкм
Al,0,15 мкм
СrО<sub>х</sub>, 0,04 мкм
0,05
SiO<sub>2</sub>, 0,01 мкм
Ge.0,15 мкм
InO<sub>x</sub> 0,01 мкм
0,35
0,77
10<sup>3</sup>
Пленка 60мкм
Ag, 0,1 мкм
Ni-Cr, 0,06 мкм
0,08
* Для непрозрачного материала коэффициент поглощения As связан с коэффициентом отражения солнечного излучения Rs следующим выражением: As=1-Rs