翁藝航 史耀強 趙志杰 邙曉斌 侯 俊

碳纖維基底真空沉積膜層的設(shè)計研究

翁藝航1史耀強2趙志杰1邙曉斌1侯 俊1

（1. 上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109；2. 上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

天線反射器是衛(wèi)星有效載荷中最重要的部分，是實現(xiàn)對地探測、反映產(chǎn)品探測靈敏度的關(guān)鍵部件。為保證碳纖維基底天線反射器在軌工作精度，同時滿足特定的熱控屬性、電屬性需求，提出采用真空沉積法在碳纖維基底表面鍍制粘結(jié)膜層(NiCr)、反射膜層(Al)、保護膜層(SiO2)的膜層設(shè)計方法。通過在試片上鍍制膜層并測試，驗證碳纖維基底真空沉積膜層的可行性。

碳纖維基底；真空沉積；反射膜層；粘結(jié)膜層；保護膜層

1 引言

20世紀60年代以來，碳纖維復合材料（CFRP）由于其比強度大、密度小、重量輕、熱膨脹系數(shù)小、耐熱性好、優(yōu)異的整體成形性能等優(yōu)點[1，2]，在衛(wèi)星等航天產(chǎn)品的本體結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)、支架結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。受在軌高低溫、真空-紫外輻照、原子氧等環(huán)境影響，通常需要在碳纖維基底表面鍍制特殊功能的膜層確保航天產(chǎn)品在軌工作精度，滿足相應(yīng)的熱控性能和電性能需求[3]。

衛(wèi)星微波探測類有效載荷天線反射器主要采用轉(zhuǎn)移法在碳纖維基底表面鍍制一層金屬鋁膜，滿足其電性能和熱控性能要求。隨著對衛(wèi)星微波探測類載荷研究的不斷深入，載荷種類和功能越發(fā)多樣性，用戶對衛(wèi)星微波探測載荷提出的探測精度指標和探測頻率要求越來越高，在軌運行壽命要求越來越長。但是，通過傳統(tǒng)的鍍膜方法在天線碳纖維基底上鍍制一層單一的金屬鋁膜已經(jīng)無法滿足微波探測載荷在軌探測高精度、長壽命的使用要求，因此提出采用真空沉積法在天線碳纖維基底表面鍍制膜層，保證微波探測載荷在軌運行的高探測精度和長壽命穩(wěn)定工作。

2 研究背景

真空沉積鍍膜技術(shù)包括物理氣相沉積和化學氣相沉積。物理氣相沉積是指在真空環(huán)境下，采用物理方法將鍍料氣化成原子、分子后直接沉積到基體表面的方法，主要有熱蒸發(fā)法、磁控濺射法和離子法[4,5]，其中磁控濺射法幾乎可以使用所有金屬、化合物、介質(zhì)作為靶材，在基底上可實現(xiàn)大面積薄膜沉積，同時濺射速率穩(wěn)定，成膜堅固附著力高，膜層致密性高，重復性和均勻性良好[6]。真空沉積鍍膜技術(shù)具有不影響被鍍材料的質(zhì)量，較大范圍內(nèi)自由選擇蒸發(fā)原材料，鍍膜過程中不會產(chǎn)生有害物質(zhì)三大優(yōu)勢。

太陽吸收比和發(fā)射率是天線反射器膜層的兩個重要的熱控性能指標。太陽吸收比反映出膜層對投射在其表面的太陽能吸收的百分比，根據(jù)太陽吸收比的計算公式：

其中：(λ)是在λ處的反射率，(λ)越大，相應(yīng)的太陽吸收比越小；(λ)為太陽光譜λ處的能量密度。

發(fā)射率是相同溫度下物體輻射能力和黑體輻射能力之比。天線反射器發(fā)射率與其表面電阻之間的關(guān)系：

導電率與表面電阻之間的關(guān)系為：

可得：

其中：R為導電層的表面電阻，Ω；為導電層的電阻率，Ω·m；為導電層的厚度，m；為導電層的導電率，S/m。因此，可以通過評估導電層表面導電率得出表面反射率。

根據(jù)理論分析，發(fā)射率與太陽吸收比的比值（簡稱發(fā)吸比）與天線表面溫度關(guān)系如表1所示。天線溫度隨發(fā)吸比增大而增大，說明發(fā)吸比越大，天線在軌升溫越快。

表1 發(fā)吸比與天線溫度理論分析結(jié)果

對于衛(wèi)星等航天產(chǎn)品而言，通常要求膜層具有低吸收高發(fā)射率的熱控性能。分析美國空間站輻射器膜層，結(jié)合國內(nèi)某型號衛(wèi)星微波探測類載荷對膜層性能的要求，可總結(jié)出滿足低吸收高發(fā)射率的膜層種類：a.真空沉積Al/Ag膜層，簡稱VDA；b.陶瓷類保護涂層；c.二次表面鏡型涂層；d.白漆類涂層[7,8]。國際上早在1970年就開始了VDA鍍層的研究，G.Hass 等深入細致地研究了在光滑襯底表面的Al+SiO2鍍層，得到了不同厚度SiO2薄膜對于鍍層發(fā)射率和太陽吸收比的影響關(guān)系，具有重要的理論意義，如圖1所示[9]。

圖1 SiO2薄膜厚度與發(fā)射率、太陽吸收比的關(guān)系

國際上也已經(jīng)有多個空間載荷中使用了VDA膜層，并得到不錯的效果。其中較為著名的為2004年美國國家航空航天局發(fā)射到極地軌道上的微波臨邊探測器Microwave Limb Sounder(MLS)[7]，該載荷采用了VDA的方法在口徑為1.6m×0.8m的碳纖維襯底表面鍍制了一定厚度的鋁膜和SiO2薄膜，使得該載荷表面既具有微波探測能力，可探測大氣成分、溫度、濕度和云冰，同時具有優(yōu)異的熱控屬性，其太陽吸收比0.43，太陽吸收比與發(fā)射率比值為1.3。還有一些在研的衛(wèi)星載荷，例如GEO/GOAS載荷、MWS天線、MASR天線，都將采用VDA方法在主反射面上制備鍍層。

國內(nèi)這方面的研究起步較慢，從事這方面研究的單位很少，主要有上海硅酸鹽研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所、中國科學院光電技術(shù)研究所等單位，這些單位在鍍制二次表面反射鏡鍍層、常規(guī)第一類鍍層以及光學薄膜方面有一些研究和報道。然而國內(nèi)還沒有在碳纖維基底表面鍍制VDA膜層應(yīng)用于衛(wèi)星有效載荷的報道。

3 基于碳纖維基底的膜層設(shè)計

3.1 反射膜層設(shè)計

由于金屬在整個太陽光譜范圍內(nèi)具有較高的反射率，因此金屬薄膜都具有較低的太陽吸收比。為了保證天線反射器膜層滿足電性能要求，同時降低其太陽吸收比，需要使天線碳纖維基底表面金屬化。

常見金屬材料的太陽吸收比和材料導電率如表2、表3所示。

表2 常見金屬太陽吸收比

表3 常見金屬導電率

由表2、表3可知，Ag和Al都具有較低的太陽吸收比和較高的導電率，但是Ag的空間環(huán)境穩(wěn)定性較差，同時其在基片上的附著力較差。而Al表面可以形成致密的氧化鋁薄膜，耐腐蝕性良好，且與玻璃、硅基片、陶瓷基片等介質(zhì)具有良好的附著性，因此選擇磁控濺射Al膜作為膜層材料中的反射層。

3.2 粘結(jié)膜層設(shè)計

為了滿足膜層漫反射占比要求，膜層鍍制前對碳纖維基底表面處理。處理后基底表面粗糙度增大，表面能增大[10]，同時考慮其表面鉤連狀態(tài)效應(yīng)的影響，為增加Al膜在碳纖維基底表面的附著力，需先在基底表面鍍制一層粘結(jié)層，降低其表面能。常用的粘結(jié)層有Al2O3、NiCr、Cr、Cu等物質(zhì)，Al2O3化學性質(zhì)穩(wěn)定，但在大口徑范圍內(nèi)采用磁控濺射方法制備較為困難，單質(zhì)金屬容易和Al層形成原電池造成Al層發(fā)生電化學腐蝕，而合金NiCr化學性質(zhì)穩(wěn)定是很好的粘結(jié)層。

在薄膜生長理論中，失配度是決定薄膜生長方式的重要參數(shù)，失配度計算公式為：

其中：α為薄膜材料的晶格常數(shù)；α為襯底材料的晶格常數(shù)。金屬Al的塊體材料晶體結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為=0.4056nm，而NiCr合金中主要成分為Ni，故合金的晶格常數(shù)以Ni為基礎(chǔ)，Ni的晶體結(jié)構(gòu)也為面心立方晶格，其晶格常數(shù)為=0.353nm，兩層薄膜的晶格常數(shù)的失配度為0.149，因此在NiCr層上生長的Al膜致密度高、附著力強、缺陷少、抗環(huán)境穩(wěn)定性好。

研究表明，薄膜與基體之間形成化學鍵可以確保其具有牢固的附著力，同時采用磁控濺射鍍制的薄膜要比蒸發(fā)鍍制的薄膜附著牢固，而且當表面能量小的薄膜附著在表面能量大的基底上時，浸潤性良好[11]。NiCr薄膜的表面能量小于碳纖維基底，確保了在碳纖維基底上采用磁控濺射法鍍制NiCr薄膜時可以降低碳纖維基底的表面能，同時計算可知C與Ni的結(jié)合能約為-2.5eV，二者之間存在共價鍵，因此認為NiCr薄膜在碳纖維基底表面附著能力強。

3.3 保護膜層設(shè)計

由于金屬表面發(fā)射率很低，膜層的太陽吸收比和發(fā)射率比值遠小于1，不能滿足航天產(chǎn)品在軌使用要求，通常需要在金屬表面再鍍制某些氧化物調(diào)節(jié)熱控性能，同時保護金屬膜層，提高膜層在軌工作壽命和穩(wěn)定性。由于硅的氧化物有較高的發(fā)射率，并且與Al膜具有良好的附著能力，因此選擇在鋁層上真空沉積一層硅的氧化物作為Al膜的保護層且通過調(diào)節(jié)其厚度獲得所需的發(fā)吸比。

Al的熱膨脹系數(shù)為23×10-6/℃，SiO2的熱膨脹系數(shù)為0.5×10-6/℃，從熱膨脹系數(shù)方面說，Al與SiO2在熱交變過程中會出現(xiàn)裂痕。但由于金屬Al的活性高，Al膜層鍍制后表面會自然鈍化形成致密的厚度為1～5nm的Al2O3膜層，MIT的研究人員發(fā)現(xiàn)Al2O3薄膜（2nm）具有液體一樣的性質(zhì)，當Al被拉伸的時候，氧化層也會被拉長，Al2O3薄膜起到鈍化Al薄膜表面作用，如圖2所示[12]。之后采用蒸發(fā)法鍍制SiO2膜層時，SiO2生長在Al2O3表面，此時Al2O3起到了緩沖層的作用，膜層匹配性增加，結(jié)合牢固。另外，美國空間站輻射器使用了一種帶有SiO2保護層的鍍銀F-46薄膜的膜層，其中Ag的熱膨脹系數(shù)為19.5×10-6/℃，從熱膨脹系數(shù)的角度看，該膜層也無法承受極端的溫度環(huán)境沖擊，但實際結(jié)果卻表明，其在-73～149℃范圍內(nèi)具有十分出色的抗熱循環(huán)能力[8]，因此Al表面鍍制SiO2薄膜其抗熱循環(huán)能力也會優(yōu)異。

圖2 高溫下Al2O3薄膜隨著Al變形而變形

采用離子輔助電子束蒸發(fā)的方法鍍制SiO2薄膜，鍍制過程中離子輔助的方法可以提高膜層的致密性，改善膜層抗腐蝕能力，所制備的膜層孔隙少，折射率接近塊體材料，吸水性小，如圖3所示。

圖3 完成膜層鍍制的試片

4 應(yīng)用情況

某型號衛(wèi)星微波成像儀天線反射器對其膜層的性能要求為：電阻率小于5μΩ·cm，發(fā)射率與太陽吸收比的比值在1～1.5之間，太陽吸收比在0.2～0.5之間。根據(jù)研究，選擇若干40mm×40mm碳纖維基底試片依次進行NiCr、Al、SiO2膜層鍍制后，測試膜層附著力、Al膜電阻率測試、太陽吸收比和發(fā)射率測試，結(jié)果如圖4、表3、表4所示。

圖4 膜層附著力測試

表4 電阻率測試結(jié)果

表5 太陽吸收比和發(fā)射率測試結(jié)果

從圖4可以看出，經(jīng)過附著力測試后膜層未發(fā)生起皮、開裂、起泡、脫膜等缺陷，表明采用真空沉積鍍制的膜層與碳纖維基底結(jié)合牢固，附著力強；表4電阻率測試結(jié)果、表5太陽吸收比和發(fā)射率測試結(jié)果均滿足指標要求。

5 結(jié)束語

采用真空沉積法在天線反射器碳纖維基底表面鍍制可以滿足特定熱控性能、電性能要求的膜層：首先采用磁控濺射法在碳纖維基底表面鍍制NiCr粘結(jié)層以提高膜層附著力，然后鍍制Al薄膜作為反射層滿足膜層熱控性能和電性能要求，最后采用電子束蒸發(fā)鍍制法鍍制SiO2薄膜保護Al膜并且起到調(diào)整膜層發(fā)射率的作用。在40mm×40mm碳纖維基底試片表面鍍制膜層后，電阻率、太陽吸收比、發(fā)射率均滿足要求，且膜層與碳纖維基底附著良好，說明提出的在碳纖維基底上采用真空沉積法鍍制膜層的方法可以保證膜層質(zhì)量，后續(xù)將開展膜層環(huán)境適應(yīng)性驗證及在軌長壽命驗證。

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Research on Design of Vacuum Deposition Coating on Carbon Fiber Substrate

Weng Yihang1Shi Yaoqiang2Zhao Zhijie1Liu Mingli1Hou Jun1

(1. Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute, Shanghai 201109；2. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109)

The antenna reflector is the most important part of the satellite payload. And it’s the critical component to realize ground target detecting and reflect the detection sensitivity of the products. In order to ensure the working precision on orbit and satisfy the specific thermal control requirements and electrical performance of the carbon fiber substrate antenna reflector, the method of coating techniques are proposed to prepare adhesive coating(NiCr), reflective coating(Al) and protective coating(SiO2) by vacuum desosition on the surface of carbon fiber substrate. In the end, the coating in the samples is prepared and the performance is tested to verify the feasibility of vacuum deposition coating on carbon fiber substrate.

carbon fiber substrate；vacuum deposition；reflective coating；adhesive coating；protective coating

翁藝航（1984），高級工程師，機械工程專業(yè)；研究方向：有效載荷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2020-03-26