一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料、涂层及其制备方法与应用与流程

本发明属于表面工程，特别涉及一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料、涂层及其制备方法与应用，适应无火箭整流罩保护的大尺寸返回式航天器的火箭待发射段、发射上升段和空间飞行段等多种严苛环境条件。

背景技术：

1、热控涂层是航天器热控系统的重要组成部分，在高真空的空间环境下对航天器的热平衡起到重要作用。目前我国航天器外表面采用有低吸收低发射型热控涂层，具有减少太阳辐射吸收和降低红外辐射散热功能，针对航天器在太阳辐射及深冷空间经历的复杂温度环境可以起到一定的保温作用，提高舱内舒适度。

2、随着航天器尺寸重量的不断增加，火箭的运输空间与运输动力受到了限制，因此，未来大尺寸返回式航天器可能将不再采用火箭整流罩保护，导致舱体将直接面临火箭发射塔降雨环境、火箭发射上升段的高温、高速气流冲刷环境，这要求热控涂层在具备原有耐高低温交变与耐空间辐照等性能的基础上，还需新增具备耐淋雨、耐高温高速气动冲刷等性能。

3、现有航天器的低吸收低发射型热控涂层为有机硅树脂体系热控涂层，具有一定的疏水性能，可起到一定的防雨作用，但有机硅树脂耐热性能极限在300～400℃，过高温度会导致树脂环化裂解与脱落，因此，在火箭上升段500～600℃的高温、高速气流冲刷环境下，现有低吸收低发射型热控涂层会受热分解脱落，无法满足后续空间环境下的保温隔热功能。同时，为保障大尺寸返回式航天器使用的防热烧蚀材料在火箭上升段不提前受热分解，这需要最外壁热控涂层具有一定的气动环境隔热性能，以减少气动热传导至防热烧蚀材料的热量。现有技术中的热控涂层无法同时满足上述要求，为提高大型返回式航天器多环境下的运行稳定性，提供一种耐气动热环境的低吸收低发射热控涂层及其制备方法具有重要的研究意义和应用背景。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料、涂层及其制备方法与应用，该热控涂层包括底层、中层和面层，面层发挥在空间高真空环境下的热辐射抑制作用并保障长期空间辐照环境下的稳定性，起到对大尺寸返回式航天器内部的长期保温功能；中层用于增强面层与底层间的结合力，同时，中层自身具备一定气动环境下的耐热性与热传导性，防止热量停留在面层导致面层受热损伤；底层为耐高温涂层，并提供涂层与基材(防热烧蚀层)间气动环境下的优良隔热性能，以避免火箭上升段的气动热环境下返回式航天器的基材(烧蚀防热层)受热燃烧。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、第一方面，一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料，包括底层涂料、中层涂料和面层涂料；

4、(i)底层涂料包括如下质量份的原料：

5、组分单元a：

6、

7、组分单元b包括乙二醇与空心玻璃微珠，溶液b中空心玻璃微珠添加量为组分单元a体积的25～30％，乙二醇添加量为组分单元a体积的25～30％；

8、(ii)中层涂料包括如下质量份的原料：

9、组分单元a：

10、

11、组分单元b：

12、固化剂i 4～10份；

13、(iii)面层涂料包括如下质量份的原料：

14、组分单元a：

15、

16、组分单元b：

17、固化催化剂 1～3份；

18、固化剂ii 4～7份。

19、第二方面，一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料的制备方法，包括：

20、将硅酸盐水溶液、去离子水、硅溶胶、硅烷偶联剂和粉体混合，球磨，形成组分单元a；在空心玻璃微球中加入乙二醇，使空心玻璃微球润湿均匀，得到组分单元b；组分单元b与组分单元a混合搅拌，得到分散均匀的底层涂料；

21、将甲基苯基硅树脂与溶剂混合均匀，加入填料和玻璃珠，砂磨搅拌，在制备涂层前加入固化剂i，得到分散均匀的中层涂料；

22、在有机硅树脂中加入溶剂、片状铝粉和硅烷偶联剂，混合搅拌，使填料分散均匀，在制备涂层前加入固化剂ii和固化催化剂，得到分散均匀的面层涂料。

23、第三方面，一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层，采用第一方面所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料制备，形成底层、中层和面层复合涂层。

24、第四方面，一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层的制备方法，包括：基材表面喷涂底层涂料，待底层涂料固化后再喷涂中层涂料，中层涂料固化后，再喷涂面层涂料，烘烤固化后，得到耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层。

25、第五方面，一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层在作为航天器空间在轨段热控涂层方面的应用，或者作为待发射段时无火箭整流罩条件下航天器舱体表面防雨防腐涂层方面的应用，或者作为火箭发射上升段无火箭整流罩条件下航天器舱体表面耐气动冲刷涂层的应用。

26、根据本发明提供的一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料、涂层及其制备方法与应用，具有以下有益效果：

27、(1)本发明提供的一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料、涂层及其制备方法与应用，在涂层内部通过复合多层功能性涂层结构设计、界面间匹配性设计，形成了一种底层隔热、中层导热耐热、面层稳定低吸收低发射性能的新型热控涂层；底层为耐高温涂层，并提供涂层与基材(防热烧蚀层)间的优良隔热性能，以避免火箭上升段的气动热环境下返回式航天器的基材(烧蚀防热层)受热燃烧；

28、(2)本发明提供的一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料、涂层及其制备方法与应用，通过耐高温且导热的中层过渡搭接底层，起到对底层无机热控涂层的封孔、界面结合力控制、界面力学缓冲匹配以及多重防水应用性能保障，在达到涂层耐高温、隔热、防水要求的同时保障了面层应用的热控需求和长期空间环境稳定性需求；

29、(3)本发明提供的一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料、涂层及其制备方法与应用，面层发挥在空间中高真空环境下的热辐射抑制作用并保障空间环境下的稳定性，起到对返回式航天器内部的长期保温功能；

30、(4)本发明提供的一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料、涂层及其制备方法与应用，该热控涂层不再像传统热控涂层或者镀膜材料仅限于对空间段在轨航天器表面发挥热控作用，还增加了在火箭发射塔架上对没有火箭整流罩保护的航天器舱体起到防雨作用、在火箭发射上升段对没有火箭整流罩保护的航天器舱体发挥隔热防护作用，即该制备方法下，热控涂层从仅在空间段发挥作用延伸到了在待发射段与发射段发挥作用；

31、(5)本发明提供的一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层，具有以下特性：

32、(a)外观金属色，表面均匀、无起泡、无裂纹、无脱落；

33、(b)厚度：160～290μm(底层厚度为100～200μm，中层厚度为20～40μm，面层厚度为40～50μm)；

34、(c)太阳吸收比：0.15±0.02；

35、(d)半球发射率：0.16±0.02。

36、(e)热循环性能：经-196℃～150℃、100次常压热循环试验后外观颜色均匀、无明显色差，涂层均不脱落，热辐射性能(太阳吸收比与半球发射率)无变化；

37、(f)耐气动热性能：经180～240s的高温、高速气动冲刷后涂层外观无变化，(其中气流恢复焓730kj/kg，剪切力114pa，时间不低于60s，气流恢复焓1247kj/kg，剪切力29pa，时间不低于30s)低吸收低发射热控涂层最高耐温能力可在180s的580℃有氧环境下稳定存在；

38、(g)隔热性能：常温环境下涂层的导热系数在0.13～0.16w/m·k范围内；在该导热系数范围下，涂层受外界高温、高速气流冲刷时，热量堆积后不会长期停留在有机中层、面层，会将热量传递至底层，且该导热系数下底中面层具备一定的隔热能力，可防止涂层在上升段180～240s内出现受热燃烧；

39、(h)防水性能：涂层经淋雨环境24h后吸水率小于0.5％；

40、(i)涂层结合力采用划格测试优于1级。

技术特征：

1.一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料，其特征在于，包括底层涂料、中层涂料和面层涂料；

2.根据权利要求1所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料，其特征在于，所述底层涂料中硅酸盐水溶液为硅酸钾水溶液或硅酸锂水溶液中的至少一种，质量浓度为25～35％；和/或

3.根据权利要求1所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料，其特征在于，所述底层涂料中硅溶胶的质量浓度为20％～40％；和/或

4.根据权利要求1所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料，其特征在于，所述中层涂料中甲基苯基硅树脂为羟基封端的甲基苯基硅树脂。

5.根据权利要求1所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料，其特征在于，所述中层涂料中填料为氧化铝、氧化钛、碳化硅、云母粉的混合填料，基于100质量份的甲基苯基硅树脂，氧化铝50～90质量份，氧化钛50～90质量份，碳化硅10～20质量份，云母粉30～50质量份。

6.根据权利要求1所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料，其特征在于，所述面层涂料中有机硅树脂为聚二甲基硅树脂或聚二甲基硅橡胶中的至少一种；和/或

7.一种权利要求1至6之一所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料的制备方法，其特征在于，包括：

8.一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层，其特征在于，采用权利要求1至7之一所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料制备，形成底层、中层和面层复合涂层。

9.根据权利要求8所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层，其特征在于，所述底层的厚度为100～200μm，中层的厚度为20～40μm，面层的厚度为40～50μm。

10.一种权利要求8或9所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层的制备方法，其特征在于，包括：基材表面喷涂底层涂料，待底层涂料固化后再喷涂中层涂料，中层涂料固化后，再喷涂面层涂料，烘烤固化后，得到耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层。

11.一种权利要求8或9所述的耐气动冲刷低吸收低发射热控涂层在作为航天器空间在轨段热控涂层方面的应用，或者作为待发射段时无火箭整流罩条件下航天器舱体表面防雨防腐涂层方面的应用，或者作为火箭发射上升段无火箭整流罩条件下航天器舱体表面耐气动冲刷涂层的应用。

技术总结
本发明提供了一种耐气动冲刷低吸收低发射热控涂料、涂层及其制备方法与应用，包括底层涂料、中层涂料和面层涂料；在底层涂料提供隔热性能，面层具有低吸收低发射性能，当外部热量进入涂层后导致大量热量聚集堆积在底层表面，堆积热量造成对热控面层的破坏，使涂层无法在满足热控性能的同时通过高温、高速、气动热烧蚀测试试验，通过对涂层多层结构结合力、耐热性、导热性匹配设计，设计增加有机中层，使中层具备较高的导热系数与耐热性能，起到将热量在面层和底层之间快速传导的作用，同时通过添加比热容值相对较高的氧化铝等耐高温填料，提高涂层的热容和耐热性，分散面层堆积的热量，保障复合涂层的低吸收低发射热控性能在高温环境下的稳定。

技术研发人员：张家强,平托,郑琰,张杭,白晶莹,王兵存,张立功,陈灵,刘炳清,付杨
受保护的技术使用者：北京卫星制造厂有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5