吳曉霞，胡江華，盧海燕

(1.合肥工業(yè)大學(xué)儀器儀表學(xué)院，安徽合肥 230009;2.中國電子科技集團公司第38研究所工程技術(shù)部，安徽合肥 230031)

目前，鋁及鋁合金被越來越多的用來代替鋼鐵和各種有色金屬以及木材等非金屬材料，并用來制成各種型材、設(shè)備、零件及日用工業(yè)品［1］。

鋁是一種化學(xué)活動性較強的輕金屬元素。鋁及鋁合金制品表面能在大氣中自然生成一層氧化膜，但這層薄膜不但耐蝕性和耐磨性都很差，而且制品都是單一的銀白色，所以，對鋁及鋁合金制品經(jīng)過陽極氧化以提高其耐蝕耐磨性能并進行著色裝飾，是目前廣泛采用的方法［2］。

鋁合金波導(dǎo)天線在空間環(huán)境下使用，對表面涂層的熱輻射特性要求高。雖然其氧化膜的生成機理與常規(guī)方法沒有本質(zhì)區(qū)別，但在空間環(huán)境下使用，其性能和環(huán)境的要求與地面產(chǎn)品又完全不同［3］。

因此，文中采用陽極氧化技術(shù)通過相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化和控制獲得具有特定指標(biāo)要求的膜層。包括具有特定熱輻射性能的熱控膜層的獲得、鍍膜工藝的穩(wěn)定性、膜層厚度均勻性、膜層的熱輻射指標(biāo)穩(wěn)定性、波導(dǎo)子陣鍍膜工藝的實現(xiàn)及控制以及空間環(huán)境試驗及適應(yīng)性分析。

1 陽極氧化制備熱控膜

實驗樣片采用LF21鋁試片，并模擬波導(dǎo)加工的實際過程，進行鋁合金陽極氧化［4］。

課題波導(dǎo)子陣表面鍍膜層熱輻射指標(biāo)為:半球發(fā)射率εh:0.72～0.74;太陽吸收率αs:0.3～0.35。

1.1 工藝流程簡介

由于膜層的熱輻射性能受工藝方法和工藝參數(shù)的影響較大，因此對氧化工藝與膜層的熱輻射性能之間的關(guān)系進行了研究，優(yōu)化了工藝參數(shù)，來獲得本實驗所需的半球發(fā)射率和太陽吸收率指標(biāo)。

圖1 熱控膜制備流程

1.2 氧化膜的熱輻射性能試驗

針對不同工藝條件下獲得的εh、αs值進行了測試，結(jié)果如表1所示。

表1 不同工藝條件獲得熱控膜指標(biāo)

1.3 氧化膜一致性試驗

為驗證氧化工藝一致性問題，按照方法5對10塊試片進行氧化處理，測試熱輻射性能，結(jié)果如表2所示。

表2 氧化膜一致性熱控膜指標(biāo)

比較表2和表1中方法4的αs、εh，二者無明顯差別(≤0.02)，表明不同批次的加工工藝一致性較好。

1.4 氧化膜均勻性

70 mm×70 mm×2 mm的樣板，測試數(shù)據(jù)表明不同區(qū)域膜層厚度未出現(xiàn)明顯差別，均勻性較好。150 mm×150 mm×6 mm的樣板，再次測試了不同區(qū)域膜層厚度，不同區(qū)域氧化膜厚度誤差＜1 μm，如圖1所示。而當(dāng)膜厚在5 μm以上時，αs、εh值隨膜厚變化緩慢，如圖2所示。因此對波導(dǎo)子陣來說，表面各處的αs、εh值應(yīng)基本一致。

圖2 氧化膜厚度均勻性

圖3 氧化膜厚度與熱控膜指標(biāo)關(guān)系

2 波導(dǎo)腔體清洗試驗

2.1 超聲清洗工藝

超聲波清洗的原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機械振蕩而傳播到介質(zhì)－清洗劑中，超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的直徑為50～500 μm的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡在氣場的作用下振動，這些氣泡在超聲液縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成、生長，而在正壓區(qū)，當(dāng)聲壓達到一定值時，氣泡迅速增大，然后突然閉合，并在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓，破壞不溶性的污染物而使之分散于清洗液中，這就被稱為“空化”效應(yīng)［5－7］。

由于超聲波的能量可穿透細(xì)微的縫隙和小孔，故可應(yīng)用于任何形狀、任何復(fù)雜程度波導(dǎo)腔體。

本實驗波導(dǎo)天線只在輻射面上有些1 mm寬的輻射縫，由于波導(dǎo)腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陽極氧化后會有大量液體殘留于腔體內(nèi)。如不清洗干凈，波導(dǎo)腔體將會造成嚴(yán)重腐蝕。而采用常規(guī)的水清洗難以保證清洗干凈，因此采用流動水洗+超聲清洗方式+浸洗以除去波導(dǎo)腔體中可能殘留的化學(xué)溶液。

2.2 清洗效果檢測

溶液中殘留的主要成分為碳酸鈉、磷酸鈉、硫酸等，采用去離子水作為清洗液進行超聲波清洗。30 min為1號水樣，再進行30 min清洗為2號水樣，如表3所示。

表3 二次超聲波清洗后殘留離子測試結(jié)果

為了驗證波導(dǎo)內(nèi)腔腐蝕液是否清洗干凈，對經(jīng)過化學(xué)拋光和陽極氧化的單根波導(dǎo)進行了解剖，在放大4倍的放大鏡下觀察，波導(dǎo)內(nèi)腔未出現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積，如圖4所示。

圖4 清洗后腔體解剖圖

3 空間環(huán)境適應(yīng)性試驗及分析

對原子氧和真空出氣進行了試驗測試，對熱循環(huán)、電子輻照、質(zhì)子輻照等環(huán)境進行了分析。技術(shù)指標(biāo)及完成情況如表4所示。

表4 空間環(huán)境適應(yīng)性實驗

技術(shù)指標(biāo)說明:在熱控膜層制備工藝專題研究過程中提出的指標(biāo)為εh=0.72～0.74，αs=0.30～0.35，對范圍進行了限制，尤其是εh范圍過窄，需要對工藝參數(shù)進行一步限定并對工藝過程嚴(yán)格控制。

4 結(jié)束語

(1)通過實驗可得出，陽極氧化能使鋁波導(dǎo)表面獲得符合空間環(huán)境下εh為0.7～0.76和αs為0.3～0.35的熱輻射指標(biāo)。(2)通過改變具體工藝參數(shù)值，可獲得幾組 εh值，范圍分別為0.70～0.72，0.72～0.75，0.73～0.74，0.74～0.76;αs為0.3～0.35之間。(3)通過本課題獲得的氧化膜，其均勻性和一致性都較好，發(fā)射率、吸收率偏差均不超過0.02。(4)在獲得熱控膜后，常規(guī)的清洗無法去除波導(dǎo)腔體和焊縫的殘留液體。必須采用流動水洗+超聲清洗方式+浸洗以除去可能殘留的化學(xué)溶液。

［1］ 曲保中．工科大學(xué)化學(xué)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1993．

［2］ 王鐵盟．鋁及鋁合金花樣電解著色工藝［J］．電鍍與涂飾，2004(6):13－14．

［3］ 朱子新，杜則裕，徐濱士．表面工程技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展［J］．兵器材料科學(xué)與工程，2001(4):65－69．

［4］ 羅一帆，許旋，陳學(xué)文，等．鋁合金硫酸陽極氧化工藝［J］．電鍍與涂飾，2004(1):33－35．

［5］ 王家寶．超聲波清洗工藝的原理及應(yīng)用［J］．柴油機設(shè)計與制造，2006(4):36－38．

［6］ 李雅莉．超聲波清洗的原理和實際應(yīng)用［J］．清洗世界，2006(7):31－35．

［7］ 王家寶．超聲波清洗工藝的原理及應(yīng)用［J］．柴油機設(shè)計與制造，2006(4):36－38．