Терморегулирующее покрытие на основе неорганического класса "истинный поглотитель"
Владельцы патента RU 2560396:
Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") (RU)
Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к покрытиям пассивной терморегуляции класса «истинный поглотитель» («ИП»). Терморегулирующее покрытие класса «истинный поглотитель» выполнено из композиции, включающей неорганическое силикатное связующее и магнетит. Композиция в качестве неорганического силикатного связующего содержит водный раствор лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4 (1,0 мас.ч.), магнетит (2,9-4,0 мас.ч.) и дополнительно в качестве пигментов и наполнителей - Co3O4 (2,9-4,0 мас.ч.), BaAl2O4 (0,1-0,8 мас.ч.) и воду - до требуемой вязкости. Изобретение направлено на разработку терморегулирующего покрытия класса «истинный поглотитель» с улучшенным коэффициентом теплового излучения ε=0,95, удельным объемным электрическим сопротивлением ρv<103 Ом·м. Изобретение обеспечивает получение технологичного покрытия с коэффициентом поглощения солнечного излучения αs≥0,98, низким газовыделением по ГОСТ Р 50109 (потеря массы не более 1,0%, летучие конденсирующиеся вещества не более 0,1%), устойчивого к воздействию ФКП при длительных сроках активного существования КА. 1 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области космического материаловедения, а именно к покрытиям пассивной терморегуляции класса «истинный поглотитель» («ИП») с антистатическими свойствами, низким газовыделением, с повышенной стойкостью к воздействию факторов космического пространства (ФКП) (протонное, электронное излучение, ультрафиолетовое излучение, термоперепады в вакууме), наносимых на наружную поверхность космических аппаратов для поддержания определенного теплового режима.
Терморегулирующие покрытия (ТРП) в конструкциях космических аппаратов (КА) являются элементами внешних покрытий (ВП) и входят в систему пассивной терморегуляции. Назначение ВП КА - обеспечение расчетных величин внешних тепловых нагрузок от излучения Солнца и планет и сброс тепла в космическое пространство.
Определяющими характеристиками ТРП являются коэффициент поглощения солнечного излучения αs, для ТРП «ИП» αs→1 и коэффициент теплового излучения (степень черноты) ε для ТРП «ИП» ε→1.
К терморегулирующим материалам и покрытиям предъявляются повышенные требования радиационной стойкости, в части сохранения термооптических характеристик в период всего срока эксплуатации, и по величине газовыделения в связи с большой площадью, занимаемой этими материалами на поверхности КА.
Длительная и безопасная работа КА в значительной степени определяется способностью ТРП сохранять или изменять в прогнозируемом пределе служебные характеристики в процессе эксплуатации, т.е. стойкость материалов к воздействию ФКП (протонное, электронное излучение, ультрафиолетовое излучение, термоперепады в вакууме).
Превышение требований ГОСТ Р 50109-92 по газовыделению приводит к оседанию легкоконденсируемых веществ (ЛКВ) на поверхностях оптических приборов, что отражается на работе аппаратуры, находящейся на борту КА. Низкое газовыделение (общая потеря массы ≤1,0%, ЛКТ≤0,1%) приведет к снижению загрязнения оптических поверхностей КА.
К покрытиям КА, находящихся на орбитах, проходящих через радиационные пояса Земли, предъявляется требование по удельному объемному электрическому сопротивлению (ρv≤105 Ом·м). Адгезия покрытия к материалу подложки должна быть не ниже 2 баллов.
В настоящее время усилия разработчиков в области космического материаловедения направлены на создание и разработку принципиально новых компонентов и ТРП на их основе, устойчивых к воздействию ФКП при длительных сроках активного существования КА (15 и более лет) как на низких до 400-600 км, так и для геостационарных и высокоэллиптических орбит.
Из патентной литературы известны терморегулирующие покрытия классов «солнечный отражатель» (см. RU 2248954 C2, C04B 41/87, B64G 1/58, см. RU 2421490 C1, C09D 1/02, C09D 5/24, C09D 5/33) и «истинный поглотитель» (см. RU 2216557, C1 C09D 1/02, C04B 28/26), в состав которых входит силикатное связующее в виде калий-кремнекислого водного раствора. Данные составы ТРП имеют высокую радиационную стойкость к ультрафиолетовому излучению, могут быть использованы в системах пассивного терморегулирования космических аппаратов.
В патенте RU 2216557 C1, принятом за прототип, описан состав, состоящий из силикатного связующего в виде калий-кремнекислого раствора с модулем 3,5-4,0 в количестве 47-60 мас.ч. и магнетита в количестве 40-53 мас.ч. Данное терморегулирующее покрытие имеет высокое значение коэффициента поглощения солнечного излучения αs=0,97-0,98. Недостатками данного терморегулирующего покрытия является невысокий для класса «истинный поглотитель» коэффициент теплового излучения ε=0,90 и отсутствие антистатических свойств.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка терморегулирующего покрытия класса «истинный поглотитель» с улучшенным коэффициентом теплового излучения ε=0,95 и удельным объемным электрическим сопротивлением pv<103 Ом·м.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение технологичного покрытия с коэффициентом поглощения солнечного излучения αs≥0,98, низким газовыделением по ГОСТ Р 50109 (потеря массы не более 1,0%, летучие конденсирующиеся вещества не более 0,1%), устойчивого к воздействию ФКП при длительных сроках активного существования КА.
Поставленная задача достигается тем, что терморегулирующее покрытие класса «истинный поглотитель», включающее неорганическое силикатное связующее и магнетит, при этом в качестве неорганического силикатного связующего содержит водный раствор лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4 и дополнительно в качестве пигментов и наполнителей Co3O4, BaAl2O4 в следующих массовых соотношениях, мас.ч.:
| неорганическое силикатное связующее - | |
| литий кремнекислый с модулем 2,9-3,4 | 1,0 |
| магнетит | от 2,90 до 4,00 |
| Co3O4 | от 2,00 до 3,50 |
| BaAl2O4 | от 0,10 до 0,80 |
| разбавитель - вода дистиллированная | до требуемой вязкости |
Основным преимуществом применения жидких стекол в качестве пленкообразующего связующего для терморегулирующих покрытий является отсутствие проблем, связанных с дегазацией, т.к. они не содержат органических растворителей. Пленки водного раствора лития кремнекислого имеют газовыделение ПМ=0,15%, ЛКВ=0,02%, что отвечает требованиям ГОСТ Р 50109 (ПМ≤1,0%, ЛКВ≤0,1%), радиационную стойкость к воздействию протонного излучения при флюенсе протонов ≈1016 см-2 Δαs=0,08 и удельное объемное электрическое сопротивление ρv=6,79·105 Ом·м.
Для создания ТРП класса «истинный поглотитель» используются пигменты и наполнители черного цвета. Опробованные эмалевые композиции с разным наполнением и соотношением компонентов наносились на подложки из алюминиевого сплава АМгб методом пневматического распыления.
Пример 1
Изготовлена эмалевая композиция на основе водного раствора лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4-1,0 мас.ч., пигментов и наполнителей, мас.ч.:
| магнетит | 4,00 |
| Co3O4 | 3,40 |
| BaAl2O4 | 0,80 |
| вода дистиллированная | 3,00 |
Получена пастообразная высоковязкая, более 100 с по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости») нетехнологичная композиция, выгрузка из диспергирующего оборудования затруднена.
Пример 2
Изготовлена эмалевая композиция на основе водного раствора лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4-1,0 мас.ч., пигментов и наполнителей, мас.ч.:
| магнетит | 3,40 |
| Co3O4 | 2,80 |
| BaAl2O4 | 0,50 |
| вода дистиллированная | 5,00 |
Эмалевая композиция имеет оптимальную вязкость, от 20 до 45 с по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости») для изготовления на диспергирующем оборудовании.
Покрытие на основе данной рецептуры имеет коэффициент поглощения солнечного излучения αs=0,980, коэффициент теплового излучения ε=0,95, удельное объемное электрическое сопротивление ρv=5·102 Ом·м, адгезия равна 1 балл. Минимальная толщина покрытия составляет 145-155 мкм.
Пример 3
Изготовлена эмалевая композиция на основе водного раствора лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4-1,0 мас.ч., пигментов и наполнителей, мас.ч.:
| магнетит | 2,90 |
| Co3O4 | 2,00 |
| BaAl2O4 | 0,10 |
| вода дистиллированная | 5,50 |
Эмалевая композиция имеет вязкость менее 20 с по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм (ГОСТ 8420-74 «Материалы лакокрасочные. Метод определения условной вязкости»). Снижение вязкости композиции вызывает невозможность диспергирования из-за большого содержания воды.
Требуемая вязкость композиции зависит от способа нанесения терморегулирующего покрытия на окрашиваемую поверхность и регулируется количеством разбавителя (вода дистиллированная) в пределах 3,5-5 мас.ч.
Разработанное лакокрасочное ТРП обладает следующими характеристиками:
- жизнеспособность эмалевой композиции до нанесения составляет не менее 6 месяцев;
- покрытие технологично, легко наносится и ремонтируется в случае повреждения;
- для нанесения покрытия используется унифицированное окрасочное оборудование;
- не требуется дегазация при отверждении покрытия;
- толщина покрытия составляет 145-155 мкм;
- газовыделение покрытия составляет: реальная потеря массы равна 0,07%, содержание летучих конденсирующих веществ равно 0,02%, что соответствует требованиям ГОСТ Р 50109;
- после воздействия знакопеременных температур от минус 150°C до плюс 150°C изменение коэффициента поглощения солнечного излучения αs составляет 0,002, коэффициент теплового излучения ε и удельное электрическое сопротивление ρv покрытия остаются без изменений, адгезия равна 2 балла, внешний вид покрытия остается без изменений (черное матовое покрытие, без включений и трещин);
- после комплексного воздействия факторов космического пространства, имитирующих эксплуатацию КА в течение 15 лет, коэффициент поглощения солнечного излучения αs практически не изменяется и, начиная с флюенса протонов 1016 см-2 до флюенса 1017 см-2, остается постоянным и равным 0,98, коэффициент излучения ε практически не изменяется и остается в пределах 0,95; конечное значение удельного объемного сопротивления ρv не превышает значение 103 Ом·м; внешний вид покрытия после испытаний остается без изменений (черное матовое покрытие, без включений и трещин).
Таким образом, предлагаемое терморегулирующее покрытие превосходит прототип по оптическим (коэффициент теплового излучения ε), электрофизическим (удельное электрическое сопротивление ρv), адгезионным свойствам и жизнестойкости эмалевой композиции перед нанесением, см. табл. 1.
| Таблица 1 | ||
| Параметры терморегулирующего покрытия | Предлагаемый состав | Состав из патента RU 2216557 С1 (прототип) |
| Коэффициент поглощения солнечного излучения, αs | 0,98 | 0,97-0,98 |
| Коэффициент теплового излучения, ε | 0,95 | 0,90 |
| Удельное объемное электрическое сопротивление, ρv, Ом·м | ≤103 | - |
| Адгезия по ГОСТ 15140, метод 4, балл | 1 | 2 |
| Адгезия по ГОСТ 27890, МПа | 28-35 | - |
| Жизнестойкость эмалевой композиции перед нанесением, мес | 6 | - |
| Газовыделение по ГОСТ Р 50109, | ||
| ПМ, % | 0,07 | - |
| ЛКМ, % | 0,02 | - |
Терморегулирующее покрытие класса «истинный поглотитель», включающее неорганическое силикатное связующее и магнетит, отличающееся тем, что в качестве неорганического силикатного связующего содержит водный раствор лития кремнекислого с модулем 2,9-3,4 и дополнительно в качестве пигментов и наполнителей - Co3O4, BaAl2O4 при следующем массовом соотношении, мас.ч.:
| неорганическое силикатное связующее - | |
| литий кремнекислый с модулем 2,9-3,4 | 1,0 |
| магнетит | от 2,90 до 4,00 |
| Co3O4 | от 2,00 до 3,50 |
| BaAl2O4 | от 0,10 до 0,80 |
| разбавитель - вода дистиллированная | до требуемой вязкости |
