摘要
低吸辐比热控膜层是保障航天器外露铝和镁等轻质合金构件在轨工作温度稳定的有效手段之一，但是镁合金的化学性质活泼，采用传统技术在其表面成膜困难，因而在镁合金表面开发高性能低吸辐比热控膜层具有十分重要的意义。本论文采用液相等离子体电解氧化和磁控溅射技术在镁合金表面构筑抗空间紫外辐照低吸辐比热控膜层，为航天器热控材料选材提供理论和技术支持。 依据热辐射定律、Fresnel 方程和 Maxwell-Gannett 理论设计了具有低吸辐比特性的镁合金表面 MgO-MxOy热控膜层化学组成和结构，热控膜层最优结构为MgO-MxOy（M: Al、Ca、Zn、Zr或Ti），可降低镁合金表面MgO膜层的太阳吸收率，提高其在11μm以上光谱区间内的发射率。 基于MgO-MxOy热控膜层设计结果，利用液相等离子体电解氧化技术在镁合金表面原位构筑了低吸辐比 MgO-MxOy热控膜层，研究了电解液组成及其浓度和电源参数对热控膜层结构组成和热控性能的影响规律，并采用SEM、XRD和XPS等手段对热控膜层的微观结构和化学组成进行了表征和分析。结果表明，当电解液组成为 Na5P3O10、Zr(NO3)4、KOH、Na2EDTA、NaF，其浓度依次为30 g/L、10 g/L、1.5 g/L、1 g/L、0.5 g/L，电源参数为10 A/dm2、50 Hz、45%，及氧化时间为 10 min 时，所得镁合金表面热控膜层性能最好，化学结构为MgO-ZrO2，其发射率和太阳吸收率分别为0.873和0.403；MgO-ZrO2热控膜层呈典型多孔状微观结构，主要由 MgO、ZrO2和 Mg0.13Zr0.87O1.87组成，ZrO2的掺杂使镁合金表面热控膜层具备良好的低吸辐比特性，与理论设计相符；当厚度在其临界值 59.2 μm 以下时，发射率随厚度增加而增大，太阳吸收率则随膜层表面粗糙度的减小而降低。 为了进一步提高 MgO-ZrO2热控膜层的抗紫外辐照能力，利用磁控溅射技术制备了 TiO2/MgO-ZrO2复合膜层，研究了工艺参数对复合膜层化学组成和热控性能的影响。结果表明，当溅射压强为1.5 Pa、溅射功率为80 W、氧氩流量比为5%、基底温度为150℃和溅射时间为10 min时，复合膜层的热控性能最佳，其发射率为0.914，太阳吸收率为0.375，吸收-发射比为0.410，较MgO-ZrO2膜层降低了0.052，进一步增强了镁合金表面热控特性；通过复合膜层化学组成分析表明，复合膜层中出现了新的相组成：S-TiO2、MgTiO3、S-(Ti，Zr)O2 和TinO2n-1，其晶格结构中Ti3+和氧空位缺陷增强了复合膜层在2.5-8μm短波区域光谱吸收性能，同时Mg-Ti-O和Zr-Ti-O化学键的存在提升了其在大于8μm长波光谱的发射率，因而使镁合金表面MgO-ZrO2热控膜层的热控性能提高。 利用空间紫外辐照模拟设备，研究了镁合金表面热控膜层在紫外辐照作用下的损伤效应，探讨了紫外辐照对热控膜层的表面颜色、结构组成、质量损失率和热控性能的影响规律。结果表明，随着紫外辐照时间延长，复合改性前后热控膜层的太阳吸收率和质量损失率呈先增大后平缓趋势，外观表面颜色随之变黄且逐渐加深，发射率则略有增大；当辐照时间为5062 ESH时，复合膜层太阳吸收率增量ΔαS为0.118，MgO-ZrO2热控膜层ΔαS为0.149，说明MgO-ZrO2热控膜层的TiO2复合改性提高了其抗紫外辐照能力。通过对辐照前后热控膜层的微观形貌和化学组成表征分析表明，发现膜层微观结构的紫外辐照损伤较小，太阳吸收率退化主要由于膜层中MgO在紫外光作用下发生分解，造成膜层表面产生镁富集；复合膜层表面的TiO2有效阻止了紫外光进入膜层，抑制了 MgO紫外分解，降低了紫外辐照对复合膜层的辐照损伤，进而揭示了镁合金表面热控膜层紫外辐照损伤机制，并初步建立了所得热控膜层在紫外辐照下的寿命预测模型。
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