張家強 牛 虎 楊佑健 孫浩然 平 托

（1 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190）

（2 中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094）

文 摘 為了研究深空輻射環(huán)境對SCB-1 型空間高吸收率消雜光涂層的太陽光譜吸收性能影響。采用5 000 ESH 劑量的真空-紫外、2.5×1015 p∕cm2 注量的真空-質子和2.5×1016 e∕cm2 注量的真空-電子依次對SCB-1消雜光涂層進行串聯(lián)輻照試驗，分析各項輻照試驗前后消雜光涂層外觀、太陽吸收比αs及半球發(fā)射率εH的變化情況。并采用熱失重分析（Thermal Gravity Analysis）判斷消雜光涂層受輻照試驗后的分解情況與熱穩(wěn)定性變化。經(jīng)串聯(lián)輻照試驗后，SCB-1 消雜光涂層全波段太陽吸收比總變化值Δαs下降了0.011～0.012，400～1 100 nm 波段太陽吸收比總變化值Δαs下降了0.011～0.013，以上三項串聯(lián)輻照過程中SCB-1 消雜光涂層的半球發(fā)射率總變化值ΔεH無明顯變化。SCB-1 消雜光涂層呈現(xiàn)了極佳的深空輻射環(huán)境下的消雜光持久性，可對未來深空探測領域的光學技術發(fā)展提供有力支持。

0 引言

探測恒星等暗目標的光學探測系統(tǒng)星敏感器與獲取地球目標信息的光學傳感器系統(tǒng)空間相機，均對深空中存在的雜散光極為敏感。雜散光基本來自地氣光、月亮光和太陽光這類成像外的強光，其中太陽光是雜散光最主要的來源，其對比7.5 等星，可達到1013以上的強度。當空間光學系統(tǒng)受到這些光線的干擾后，內部各元部件會對接觸到雜散光產(chǎn)生二次反射或衍射，出現(xiàn)多余的非成像光線，形成“噪聲”。“噪聲”不僅會影響成像信噪比、對比度與識別精度，甚至會在成像像面上呈現(xiàn)光斑，最惡劣的情況下，還會淹沒目標圖像。因此，雜散光抑制是后續(xù)高等星探測與超高分辨率光譜呈像發(fā)展的關鍵技術問題［1-4］。

“十三五”及其后續(xù)航天器對高精度姿態(tài)定位、高精度光譜成像等提出了更高要求，對超高吸收率消雜光涂層提出了太陽吸收比不小于0.98的技術要求。涂層太陽吸收比由0.97 提升至0.98，在不改變成像產(chǎn)品結構的基礎上，到達產(chǎn)品探測面的雜光能量將下降50%以上，光學系統(tǒng)的信噪比提升約2 倍，可以極大的提高系統(tǒng)的靈敏度和信號探測能力。目前廣泛應用的進口PNC 黑漆太陽吸收比為0.97，已不能滿足后續(xù)極高精度星敏感器、高精度光學相機等產(chǎn)品的雜散光抑制要求。

北京衛(wèi)星制造廠有限公司開發(fā)了一種適用于空間環(huán)境的高吸收率消雜光涂層（SCB-1 涂層），200～2 500 nm 下太陽吸收比αs≥0.98，目前短期內在軌應用狀態(tài)良好，可以滿足后續(xù)消雜光技術要求。但消雜光涂層應用的遙感相機或星敏感器等光學儀器會長期暴露在空間環(huán)境中，會長期直接與深空中能量極高的真空-紫外或真空-質、電子接觸，這些輻照物質可能會造成涂層材料的光學吸收性能與耐熱性能退化［5-7］，以及導致涂層發(fā)生凋落或開裂等情況，更嚴重的情況下，還會發(fā)生凋落的涂層附著到光學鏡頭表面干擾成像［8-9］。

為研究長期的深空輻射環(huán)境是否會對SCB-1 涂層造成性能退化，本文針對SCB-1 涂層開展深空環(huán)境下的模擬輻照測試，以此來判定SCB-1 消雜光涂層長期抵御深空輻射環(huán)境后的光學性能與耐熱性能退化情況。

1 實驗

1.1 涂層試樣制做

（1）涂層成分及來源：SCB-1 高吸收率消雜光涂層為自研產(chǎn)品，PNC黑漆購買自法國MAP公司，兩者主成分均為炭黑填料與有機硅類樹脂粘接劑等物質，交聯(lián)劑采用硅酸四乙酯，采用有機錫類催化劑，二甲苯為溶劑。

（2）實驗試樣制作：使用尺寸為30 mm×30 mm×1 mm、牌號為5A06的鋁合金試片為涂裝基材，對基材進行本色導電陽極化處理。采用0.15 MPa 的空氣壓力，以噴涂方法進行SCB-1 消雜光涂層和PNC 涂層試樣的制作，噴涂5～7 遍，陰干24 h 后，采用50℃烘烤固化4 h 后再85 ℃烘烤固化16 h，得到40～70μm 厚度的SCB-1 與PNC 黑漆的空間級消雜光涂層試樣。

1.2 空間模擬輻照實驗方法

選取3 個SCB-1 涂層試樣與1 個PNC 黑漆涂層試樣，以串聯(lián)的方式依次進行真空-紫外輻照、真空-電子輻照及真空-質子輻照試驗。真空-紫外輻照試驗過程中選取7個輻照劑量點，真空-電子及真空-質子輻照過程中各選取5個輻照劑量點，對以上劑量點下的涂層進行太陽吸收比與半球發(fā)射率的測試，觀察涂層變化情況。真空-紫外輻照總量為5 000 ESH，真空-電子輻照注量為2.5×1016e∕cm2，真空-質子輻照注量為2.5×1015p∕cm2，每項輻照試驗均采用分段測試試片表面涂層熱輻射性能并在輻照試驗最后觀察涂層外觀狀態(tài)的方法；試驗設備與試片放置狀態(tài)如圖1與圖2所示。

圖1 真空-紫外輻照設備與試片擺放狀態(tài)Fig.1 Vacuum-UV irradiation equipment and the placement of test plates

圖2 真空-質子電子輻照設備與試片擺放狀態(tài)Fig.2 Vacuum-proton＆electron irradiation equipment and the placement of test plates

1.3 消雜光涂層性能檢測方法

消雜光涂層的太陽吸收比αS及半球發(fā)射率εH的測試依據(jù)GJB2502.02—2006 與GJB2502.03—2006；消雜光涂層外表面狀態(tài)檢驗方法按GJB 2704A—2006 進行，熱失重檢測采用美國PE 公司的TG∕DTA 6300 熱失重分析儀，消雜光涂層輻照后結合力的檢測方法按GB∕T9286—1998 進行，根據(jù)涂層厚度范圍采用1 mm專用漆膜劃格刀進行檢測。

2 結果及分析

SCB-1 涂層經(jīng)真空-紫外、真空-質子以及真空-電子輻串聯(lián)照后，涂層太陽吸收比與半球發(fā)射率性能變化數(shù)據(jù)如表1所示。三項串聯(lián)輻照后，涂層全波段200～2 500 nm 的太陽吸收比αS下降了0.011～0.012，400～1 100 nm 太陽吸收比αS下降了0.011～0.013，半球發(fā)射率εH變化相對較小，屬于測量誤差范圍內。PNC 黑漆在200～2 500 nm 的太陽吸收比αS降低0.011，400～1 100 nm 太陽吸收比αs400～1100nm降低0.012，半球發(fā)射率εH同樣未發(fā)生明顯變化。

表1 經(jīng)真空-紫外、電子、質子輻照前后的SCB-1與PNC消雜光涂層吸收發(fā)射數(shù)據(jù)Tab.1 The αs and εH of SCB-1 and PNC coatings before and after the vacuum-electron，the vacuum-UV and the vacuum-proton irradiation

由SCB-1 涂層太陽吸收比過程測試累計點的曲線如圖3所示。

圖3 真空-紫外、電子及質子串聯(lián)輻照過程中SCB-1與PNC涂層太陽吸收比變化Fig.3 The αs of SCB-1 and PNC coatings during the vacuum-UV，the vacuum-electron and the vacuum-proton irradiation

涂層在0 ESH 至3 000 ESH 時太陽吸收比降低較為顯著，而3 000 ESH 后，涂層αS降低趨勢停止，開始保持，無明顯變化；各項輻照測試后的PNC 黑漆與SCB-1 涂層200～2 500 nm 波段光譜吸收變化曲線如圖4、圖5所示，曲線呈整體降低，450～800 nm 波段吸收曲線降低顯著，與表2 中Δαs值較低于Δαs400～1100nm值的數(shù)據(jù)結果。真空-電子輻照階段，SCB-1 涂層與PNC 黑漆均無明顯變化，而到了真空-質子輻照階段，SCB-1 涂層與PNC 黑漆涂層200～2 500 nm 波段下的太陽吸收比αs與400～1 100 nm 波段下的太陽吸收比αs400～1100nm數(shù)值均先較小程度的降低，再趨于穩(wěn)定。這可能是由于電子的粒徑、質量較質子更小，轟擊后作用于涂層的深度高于質子，所以對涂層外表面的太陽吸收比αs的影響也較小。

圖4 真空-紫外、真空-電子及真空-質子串聯(lián)輻照前后SCB-1涂層太陽光譜吸收曲線Fig.4 The solar spectral curve of SCB-1 coatings before and after the test during vacuum-UV，vacuum-electron and vacuumproton irradiation

圖5 真空-紫外、真空-電子及真空-質子串聯(lián)輻照前后PNC涂層太陽光譜吸收曲線Fig.5 The solar spectral curve of PNC coatings before and after the test during vacuum-UV，vacuum-electron and vacuumproton irradiation

SCB-1涂層經(jīng)三項串聯(lián)輻照前后外觀狀態(tài)如圖6所示，涂層在試件表面均未發(fā)現(xiàn)脫落與露底現(xiàn)象，但涂層外觀顏色均明顯變淺，由深黑色轉為黑灰色，PNC涂層外觀變化較大，由深黑色轉化為灰色。但涂層均未出現(xiàn)開裂、露底基材現(xiàn)象。對真空-紫外、電子及真質子連續(xù)輻照后的SCB-1涂層進行熱失重測試，熱失重（TG）曲線與失重變化曲線（DTG）見圖7。

圖6 真空-紫外、電子及質子輻照前后SCB-1與PNC涂層外觀狀態(tài)Fig.6 Appearance state of the SCB-1and PNC coatings before and after the series of irradiation testing.

圖7 經(jīng)歷不同輻照試驗前后SCB-1的TG曲線與DTG曲線Fig.7 The TG and DTG curves of SCB-1 coatings before and after irradiation in different space environments

可看出未經(jīng)輻照試驗的SCB-1 涂層失重5%的溫度在290 ℃，經(jīng)歷了紫外輻照后的SCB-1涂層失重5%的溫度達到445 ℃，這種失重溫度提高的原因是由于高能紫外輻照促使有機硅樹脂的側甲基斷裂，同時有機硅樹脂在斷裂處獲得紫外輻照帶來的能量，進而在斷裂處發(fā)生聚合反應，提升了交聯(lián)密度以及生成氧化硅等物質［10］。無機氧化物含量提高，涂層整體耐熱性提高。而經(jīng)歷電子與質子輻照后的SCB-1 涂層熱失重曲線與失重變化曲線中均與未經(jīng)輻照的SCB-1 涂層無明顯區(qū)別，能量作用有限。在DTG 曲線中可同樣證明紫外促使SCB-1 有機硅樹脂轉化為無機產(chǎn)物，促使涂層的最高失重溫度向高溫方向偏移。

對不同輻照試驗后的SCB-1 涂層進行結合力測試，如圖8所示。由于三個涂層樣品試片厚度均低于80 μm，因此采用1 mm 專用漆膜劃格刀進行檢測。經(jīng)劃格試驗后，SCB-1 涂層與PNC 黑漆涂層試片的結合力均為1 級。證明了真空-紫外、電子及質子輻照作用在涂層的表層與淺表層，對涂層與基材的結合力性能不產(chǎn)生影響。

圖8 經(jīng)歷不同輻照試驗后的SCB-1與PNC涂層的結合力Fig.8 The bonding test of the PNC and SCB-1 coatings after irradiation testing

3 結論

經(jīng)過了真空-紫外、真空-電子及真空-質子的連續(xù)輻照后，SCB-1消雜光涂層太陽吸收比與半球發(fā)射率變化較小。三項試驗后的太陽吸收比（αs）降低最大值僅為0.012，半球發(fā)射率（εH）降低最大值為0.01，涂層均未發(fā)生露底或脫落現(xiàn)象，結合力良好，體現(xiàn)了SCB-1消雜光涂層具備較佳的空間環(huán)境穩(wěn)定性。