КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ КЛАССА "СОЛНЕЧНЫЕ ОТРАЖАТЕЛИ"
SOLAR REFLECTOR CLASS TEMPERATURE-CONTROLLED COATING COMPOSITION

Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники и может быть использовано в системах пассивного терморегулирования космических аппаратов (КА), эксплуатирующихся на различных орбитах и приборных панелях малых аппаратов.
ν
5
Известна принятая за аналог композиция для терморегулирующего покрытия (ТРП) класса «солнечные отражатели» (RU №2283332, C09D 5/24, 2005), которая в качестве связующего содержит смолу амидосодержащую акриловую, наполнитель - цинк-галлий оксид и растворитель - смесь ксилола и бутанола в соотношении 4:1. ТРП, полученное из известной композиции, обладает сочетанием всего комплекса параметров (коэффициентом поглощения солнечного излучения As≤0.3, коэффициентом теплового излучения ε≥0.9, удельным объемным электрическим сопротивлением ρ≤5·10 Ом·м), необходимыми при длительной (10-15 лет) эксплуатации КА на низких орбитах. Однако в условиях воздействия факторов космического пространства (ФКП), включающих электронное, протонное и УФ излучение, такие покрытия не могут эксплуатироваться более 5-7 лет.
ν
11
Известна принятая за прототип силикатная композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели ТР-СО-ЦМ (RU №2248954, С04В 41/87, 2002). Терморегулирующее покрытие, изготовленное из указанной композиции, имеет хорошие начальные оптические характеристики, повышенную радиационную стойкость к ультрафиолетовому излучению (УФ), однако не обладает антистатическими свойствами, т.к. является диэлектриком (ρ≈1·10Ом·м), что может привести к нарушениям в работе радиоэлектронной аппаратуры, бортовых систем и тем самым сократить срок эксплуатации КА.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение электропроводной композиции для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», предназначенного как для высоких, так и низких орбит, с повышенной радиационной стойкостью к воздействию факторов космического пространства (протонному, электронному и УФ излучениям).
Ожидаемый технический результат заключается в стабилизации работы радиоэлектронной аппаратуры и бортовых систем КА, увеличении срока активного существования КА на высоких орбитах, уменьшении весовых характеристик.
3
1+n
Для решения указанной задачи предложена новая композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели», содержащая связующее - жидкое калиевое стекло (ЖКС), пигмент - оксид металла и растворитель - дистиллированную воду, при этом в качестве связующего используют модифицированное жидкое калиевое стекло с модулем 3,3-3,8 при плотности 1,204-1,216 г/см, при этом в качестве модификатора ЖКС используют органический водоразбавляемый сополимер на основе латекса, а в качестве пигмента - цинк-галлий оксид с расчетной формулой ZnGaO, где n=0.0064, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
модифицированное жидкое калиевое стекло
26,4-28,7
цинк-галлий оксид
42,3-45,2
дистиллированная вода
28,4-29,0.
В качестве модификаторов применяют щелочерастворимые или щелоченабухаемые пленкообразующие - водоразбавляемые полимерные производные стирол-акриловых, бутадиен-стирольных и винилацетат-акриловых латексов с массовой долей 0.5-10.0%.
Модификацию жидкого калиевого стекла проводят путем добавления указанных модификаторов в процессе растворения кремнеземистого сырья в калиевой щелочи или непосредственно после завершения растворения.
В таблице 1 приведены характеристики покрытий в зависимости от содержания исследованных модификаторов в жидком калиевом стекле.
При использовании добавок модификаторов менее 0.5 мас.% значительно ухудшается адгезия покрытий при эксплуатации. При массовой доле модификатора более 10% резко снижается (от более 2 лет до 4-5 суток) стабильность ЖКС: происходит расслоение раствора или гелеобразование.
Введение указанных модификаторов в выбранных пределах 0.5-10 мас.% не только улучшает физико-механические свойства ТРП, в т.ч. адгезию покрытия к специальным сплавам, используемым для изготовления КА, но и значительно влияет на реологические свойства композиции, способствует достижению улучшенных оптических и электрофизических характеристик покрытия. Повышение пигментного наполнения в композициях до уровней, приведенных в таблице 2, на немодифицированном жидком калиевом стекле приводило к растрескиванию и отслоению покрытий. Кроме того, выбранные модификаторы не ухудшают электропроводность композиции, что также способствует решению поставленной задачи.
3
Композиция для терморегулирующего покрытия класса «солнечные отражатели» представляет собой суспензию цинк-галлий оксида (ЦГО) в модифицированном жидком калиевом стекле с модулем 3,3-3,8 при плотности 1,204-1,216 г/см и дистиллированной воде при следующем соотношении компонентов, мас.%:
модифицированное жидкое калиевое стекло
26,4-28,7
ЦГО
42,3-45,2
дистиллированная вода
28,4-29,0
Для приготовления композиции сначала необходимые количества ЦГО и дистиллированной воды загружают в фарфоровый барабан при соотношении фарфоровые шары: пигмент =2:1 (по массе) и перетирают на двухвалковой мельнице в течение (3.5-4.5) ч. Затем добавляют модифицированное жидкое калиевое стекло и продолжают диспергирование еще 40 минут. После этого композицию фильтруют через медицинскую марлю и наносят на подготовленную поверхность методом пневматического распыления. Время высыхания слоя композиции при температуре (20±2)°С составляет 0.5 ч. Полное отверждение покрытия происходит при температуре (20±2)°С в течение 14 суток.
ν
ν
В таблице 2 приведены свойства покрытий в зависимости от содержания компонентов в композиции. Для обеспечения заданных оптических (As, ε) и электрофизических (ρ) характеристик большое значение имеет толщина терморегулирующего покрытия. Оптимальные значения характеристик As, ε и ρ получены при толщине покрытия (115-135) мкм, при этом вес покрытия остается минимальным. У прототипа оптимальные значения оптических характеристик (As, ε) достигнуты при толщине (150-170) мкм.
ν
4
Терморегулирующее покрытие класса «солнечные отражатели» на основе предлагаемой композиции обладает комплексом всех требуемых характеристик: является электропроводным с удельным объемным сопротивлением ρ=(1.2-4.3)·10Ом·м, имеет низкий коэффициент поглощения солнечного излучения As~0.145-0.155 при сохранении высокой излучательной способности ε~0.94-0.96. Изменение коэффициента поглощения солнечного излучения ΔAs при эксплуатации КА в течение 15 лет на геостационарной орбите (ГСО) составит 0.40-0.50 (см. таблицу 3).
Использование заявляемого изобретения позволит:
- повысить надежность функционирования систем пассивного терморегулирования как на высоких, так и низких орбитах;
- увеличить срок эксплуатации КА на высоких орбитах (с 5-7 лет до 15 лет);
- снизить весовые характеристики ТРП (≈15%);
5
4
- снизить на порядок удельное объемное сопротивление ТРП (с 5,0·10 Oм·м дo 4.3·10 Ом·м).
Таблица 1
Наименование показателей
Немодифи-цирован-ное ЖКС
Модификаторы, % по отношению к массе сухих веществ в ЖКС
Бутадиен-стирольный латекс
Винилацетат-акриловый сополимер
Стирол-акриловыйсополимер
0.5
3.5-4.0
10.0
0.5
3.5-4.0
10.0
0.5
3.5-4.0
10.0
Коэффициент As, не более
0.15-0.16
0.147-0.155
0.145-0.155
0.145-0.155
0.149-0.155
0.148-0.155
0.148-0.152
0.149-0.155
0.14-0.155
0.146-0.154
Коэффициент ρ<sub>ν</sub>, Ом·м
(1.6-4.5)·10<sup>5</sup>
(1.8-4.0)·10<sup>4</sup>
(1.5-4.2)·10<sup>4</sup>
(1.6-4.2)·10<sup>4</sup>
(2.0-4.1)·10<sup>4</sup>
(1.7-44.3)·10<sup>4</sup>
(1.6-4.3)·10<sup>4</sup>
(1.7-3.9)·10<sup>4</sup>
(1.2-4.1)·10<sup>4</sup>
(1.3-4.0)·10<sup>4</sup>
Адгезия, балл
4
1-2
1-2
1-2
1-2
1-2
1-2
1-2
1-2
1-2
Таблица 2
Наименование компонентов Наименование показателей
Содержание компонентов в композиции, мас. %
1
2
3
4
5
1. ЦГО
37.9
42.3
43.8
45.2
49.4
2. модифицированное ЖКС*
30.9
28.7
27.6
26.4
25.2
3. дистиллированная вода
31.2
29.0
28.6
28.4
25.4
Толщина покрытия, мкм
160-180
114-130
112-128
110-135
Невозможно получить качественное покрытие - сильное меление
Коэффициент As, не более
0.15
0.154
0.148
0.145
Коэффициент ε, не менее
0.94
0.965
0.945
0.96
Коэффициент pv, Ом-м, не более
(1-4)·10<sup>6</sup>
4.3·10<sup>4</sup>
2.4·10<sup>4</sup>
1.2·10<sup>4</sup>
*Примечание. ЖКС содержит 4% стирол-акрилового сополимера.