ПИГМЕНТ ДЛЯ СВЕТООТРАЖАЮЩИХ ТЕРМОСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ
PIGMENT FOR LIGHT-REFLECTING THERMOSTABILISING COATINGS

Изобретение относится к светоотражающим покрытиям класса «солнечные отражатели». Такие покрытия могут быть использованы для терморегулирования космических аппаратов, для термостабилизации технологических процессов, происходящих в химических ректорах, в технологических емкостях пищевой, легкой и других отраслях промышленности, а также для теплосбережения жилых и производственных зданий.
Наиболее примечательной областью применения таких покрытий являются космические аппараты. В них из трех видов передачи тепла (теплопроводность, конвекция и излучение) возможен только один - излучение, так как аппараты не имеют контакта ни через твердое тело (отсутствует контакт с объектами), ни через газ (аппарат находится в глубоком вакууме).
Все известные к настоящему времени светоотражающие покрытия типа эмалей или керамических покрытий, используемые в космической технике состоят на 70-85% из пигмента и на 15-30% из связующего. В качестве пигментов используются порошки таких соединений, как: оксид цинка, диоксид титана, диоксид циркония, оксид алюминия, ортатитанат цинка и их смеси. Излучательная способность (ε) таких пигментов и покрытий, изготовленных на их основе, в зависимости от температуры или постоянна, или незначительно изменяется по линейному закону (с ростом температуры она увеличивается) [Тепловой обмен и тепловой режим космических аппаратов. Под ред. Дж.Лукаса; Пер. с англ. под ред. Н.А.Анфимова. - М.: Мир, 1974, 524 с.; Городецкий А.А., Демидов С.А., Иванченков А.С. и др. Исследование терморегулирующих покрытий на орбитальной космической станции «Салют-6» // Модель космоса. М.: МГУ, 1983, т.2, с.394-416; Новицкий Л.А., Степанов Б.М. Оптические свойства материалов при низких температурах. Справочник. М. Машиностроение, 1980, 224 с.; Михайлов М.М. Спектры отражения терморегулирующих покрытий космических аппаратов. Томск, издательство Томского университета, 2007, 314 с.; Peters S.T. Spacecraft thermal control surfaces // In: Sampe Journal, s.1, 1971, v.7, №2, pp.33-34].
s
s
s
В то же время светоотражающие покрытия с течением времени подвержены фото- и радиационной деградации, т.е. у них снижается интегральный коэффициент отражения в солнечном диапазоне спектра (R) и увеличивается интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения (a=1-R), что ухудшает терморегулирующие свойства покрытий. Эти процессы к настоящему времени хорошо известны, и основные усилия специалистов, занимающихся созданием и исследованиями терморегулирующих покрытий, направлены на разработку способов повышения их фото- и радиационной стойкости. Однако повышение стойкости покрытий не решает полностью проблемы термостабилизации объектов, так как, во-первых, деградация все равно происходит, хотя и с меньшей скоростью, а во-вторых, температура объекта зависит не только от состояния покрытия, но и от того, находится ли он в тени или на солнце.
1-y
y
3
1-y
y
3
Известен пигмент для светоотражающих покрытий на основе титаната бария с модифицирующими добавками, в котором катионы титана частично замещены ионами олова с общей формулой BaTiSnO [Михайлов М.М. Термостабилизирующие покрытия на основе порошков BaTiSnO // Изв. вузов, Физика, 2009, №2, с.93-94]. Излучательная способность ε этого пигмента в области рабочей температуры (в диапазоне от -10 до +80°C) испытывает резкий скачок за счет фазового перехода: она изменяется от значений, характерных для металлов (ε=0,1-0,4), до значений, характерных для диэлектриков (ε=0,7-0,95). То есть при повышении температуры покрытия из-за каких-то внешних факторов резко увеличивается его излучательная способность, что приводит к увеличению излучаемой тепловой энергии и снижению температуры. Понижение температуры покрытия ниже рабочей также вызывает скачкообразное снижение излучательной способности покрытия. Это приводит к уменьшению излучаемой энергии, к повышению температуры до прежнего уровня, т.е. к ее стабилизации. В результате покрытие обеспечивает стабилизацию температуры в рабочей области объекта, на поверхности которого оно находится. Даже если происходит деградация покрытия, ухудшение его отражательной способности, увеличение коэффициента поглощения и повышение температуры, то одновременно происходит увеличение ε и последующее снижение температуры. И в этом случае пигмент и отражающее покрытие на его основе проявляют термостабилизирующие свойства. Указанный пигмент выбран за прототип.
1-y
y
3
Как показали исследования авторов, покрытие на основе BaTiSnO имеет относительно невысокий (около 0,8) коэффициент диффузного отражения в видимой области спектра, уменьшающийся до 0,6 в ближней ИК области. Уменьшение диффузного коэффициента отражения ухудшает оптические свойства таких покрытий. Таким образом, задачей изобретения является создание пигмента для светоотражающих покрытий, обладающего, наряду с ярко выраженными термостабилизирующими свойствами, также и хорошими отражающими свойствами.
Техническим результатом изобретения является повышение отражательной способности пигмента для отражающих термостабилизирующих покрытий в видимой и ближней ИК областях спектра.
(1-x)
x
3
Для достижения указанного результата пигмент для термостабилизирующих покрытий, как и прототип, содержит соединения титаната бария с модифицирующими добавками. В отличие от прототипа в качестве модифицирующих добавок выбран диоксид циркония, катионы которого частично замещают ионы титана с образованием твердого раствора BaTiZrO, где x имеет значение x≤0,5. Это то значение, при котором в катионной подрешетке ионов титана будет не меньше, чем ионов замещающего элемента циркония, и соединение будет еще проявлять свойства титаната бария.
0,9
0,1
3
0,9
0,1
3
0,85
0,15
3
0,85
0,15
3
0,8
0,2
3
0,8
0,2
3
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг.1, 2 и 3 приведены зависимости излучательной способности ε от температуры пигмента на основе соединений титаната бария, в которых ионы титана частично замещены ионами циркония с различным соотношением последних (показаны квадратиками). На этих же графиках кружочками показана температурная зависимость излучательной способности пигмента-прототипа, в котором ионы титана замещены ионами олова. Фиг.1 демонстрирует данные для соединений BaTiZrO (x=0,1) и BaTiSnO. На фиг.2 те же графики даны для соединений BaTiZrO (x=0,15) и BaTiSnO, а на фиг.3 - для соединений BaTiZrO (x=0,2) и BaTiSnO.
0,9
0,1
3
0,9
0,1
3
0,85
0,15
3
0,85
0,15
3
0,8
0,2
3
08
0,2
3
На фиг.4 показаны спектральные зависимости коэффициента диффузного отражения для соединений BaTiSnO (кривая 2) и BaTiSnO (кривая 1). На фиг.5 даны спектральные зависимости коэффициента диффузного отражения для соединений BaTiZrO (кривая 2) и BaTiSnO (кривая 1), а на фиг.6 - для соединений BaTiZrO и BaTiSnO, обозначенные так же.
Изобретение будет рассмотрено на конкретных примерах.
0,9
0,1
3
3
2
2
Пример 1. Пигмент BaTiZrO (x=0,1) получали смешиванием необходимого количества весовых частей BaCO, ZrO и TiO с дальнейшим прогревом смеси до получения твердого раствора.
График зависимости излучательной способности от температуры этого пигмента приведен на фиг1. Здесь же приведен аналогичный график для прототипа, в котором модифицирующей добавкой является олово. Как видно из графиков, заявляемый пигмент имеет достаточно четкую область резкого роста ε. Диапазон рабочих температур составляет от -10 до +80°С и ε меняется от 0,45 до 0,75.
Спектральная зависимость коэффициента диффузного отражения показана на фиг.4. Как видно из фиг.4, коэффициент отражения во всем спектральном диапазоне от 450 до 900 нм составляет примерно 90%, что значительно выше, чем у прототипа.
0,85
0,15
3
3
2
2
Пример 2. Пигмент BaTiZrO (x=0,15) получали смешиванием необходимого количества весовых частей BaCO, ZrO и TiO с дальнейшим прогревом смеси до получения твердого раствора.
График зависимости излучательной способности ε от температуры этого пигмента приведен на фиг.2. Видно, что рабочий диапазон температур у него уже, чем у пигмента-прототипа, и кривая имеет более крутой фронт. Это означает, что термостабилизирующие свойства заявляемого пигмента лучше, чем у прототипа. Из спектров диффузного отражения заявляемого пигмента и пигмента-прототипа, приведенных на фиг.5, следует, что коэффициент отражения заявляемого пигмента выше, чем у прототипа, на разных участках спектра на 10-20%.
0,8
0,2
3
3
2
2
Пример 3. Пигмент BaTiZrO (x=0,2) получали смешиванием необходимого количества весовых частей BaCO, ZrO и TiO с дальнейшим прогревом смеси до получения твердого раствора.
График зависимости излучательной способности от температуры этого пигмента приведен на фиг.3. Здесь рабочий диапазон температур несколько шире, чем у прототипа, но в температурном диапазоне -40 - +50°С также имеется резкий скачок ε от 0,42 до 0,7. Сравнение отражательной способности пигментов на фиг.6 показывает, что коэффициент отражения заявляемого пигмента, особенно в длинноволновой области, на 30 и более процентов больше, чем у прототипа.
(1-x)
x
3
Таким образом, пигмент BaZrTiO, обладая свойством термостабилизации не хуже, чем у прототипа, имеет гораздо более высокую отражательную способность в спектральной области 450-900 нм.