POSS改性卫星用白漆热控涂层的研究
固体火箭发动机防热涂层产品型谱构建与选型
外防热涂层是固体火箭发动机研制的关键材料，其性能与可靠性是新型航天装备发动机先进性与可靠性的决定因素之一。
随着高性能武器装备飞行速度的提高，飞行器壳体外表面气动加热问题愈加严重，由于固体发动机壳体一般采用薄壁高强钢或纤维复合材料等制成，当环境温度超过壳体材料本身的使用温度时，壳体的承载性能急剧下降，可直接导致飞行失败。
所以，高性能武器装备发动机壳体外表面需涂覆外防热涂层材料来保护发动机壳体。
目前，高性能武器型号发动机大多采用涂层进行热防护，涂层防热法具有成本低、工艺简单、消极质量小、热防护效率较高等特点，广泛应用于飞行Ma3～9固体火箭发动机防热涂层产品型谱构建与选型罗江凤、鱼颖、张光春、张利军、郭飞鸽 /西安航天化学动力有限公司摘要：外防热涂层是固体火箭发动机研制的关键材料，其质量稳定性是新型航天装备发动机先进性与可靠性的决定因素之一。
目前，发动机研制进度呈加快趋势，以往随发动机型号需要新研制涂层的模式已达不到涂层产品规模化、市场化转型的要求。
本文分析了防热涂层现状以及未来发展趋势，并基于防热涂层的配方特点、性能水平、主要功能及应用经验，对外防热涂层产品进行了型谱构建，有利于快速选型、加速发动机研究进程以及涂层产品市场化。
的飞行器气动热防护。
涂层防热是烧蚀型防热的一种，防热效果从本质上受制于材料的热解过程。
由于高速气流对涂层和结构产生的气动热烧蚀，不但与材料的本身性能有关，也与特定气动环境有关的物理和化学综合效应相关。
因此，只有材料和气动热环境合理配合，使其在此环境下发生理想的反应，吸收或带走热量，才能设计出有效的防热涂层材料。
笔者分析了涂层产品需求特点，并基于西安航天化学动力有限公司研制的系列防热涂层的配方特点、性能水平、主要功能以及应用经验，对外防热涂层产品进行了型谱构建，从而有利于选型统型。
一、涂层产品需求分析外防护涂层是发动机消极质量的一部分，这就决定了外防热涂层的发展趋势必然是追求更低的密度和更好的烧蚀性能，同时具有优异的综合性能，有的背景型号发动机还要求外防护涂层具有耐烧蚀、电磁屏蔽、吸波透波、抗激光等功能。
典型航天器的热控PPT演示课件PPT37页
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推进舱热控
被动热控措施柱段仪器圆盘对应处设置散热面2平方米外表面包覆MLI（除散热面外）在尾流罩部位安装高温隔热屏（防止变轨发动机工作时产生的高热流对舱内的影响）返回舱和推进舱之间的防热罩上也包覆MLI内表面喷涂高发射率的热控涂层舱内电子仪器设备表面进行黑色阳极氧化处理或喷涂高发射率无毒热控涂层主动热控措施推进剂贮箱、应急电源、红外地球敏感期、分流调节器等采用主动电加热控温和被动热控相结合4个镉镍电池采取冷板降温，在距后Y框约295mm铆接了3圈液体加热管路热控外回路的全部设备和部件
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飞船结构组成
轨道舱作为航天员的工作和生活舱，以及用于出舱时的气闸舱。配有泄复压控制、舱外航天服支持等功能。内部有航天员生活设施。轨道舱顶部装配有一颗伴飞小卫星和5个复压气瓶。无留轨功能。返回舱形状似碗，用于航天员返回地球的舱段，与轨道舱相连。装有用以降落降落伞和反推力火箭，实行软着陆。推进舱装有推进系统，以及一部分的电源、环境控制和通讯系统，装有一对太阳能电池板。
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流体回路系统
ZKS
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经验总结
以流体回路、气体通风换热回路、大面积电动百叶窗为代表的主动热控技术得到了考核。液体内外冷却回路在热负荷变化剧烈的情况下，均可有效地进行自动调节。通过风机（包括风扇）驱动空气流经仪器设别，或者按照预定的流动方向在舱段内循环，产生气体强迫对流换热，实现降低仪器设备温度或拉平密封舱空气温湿度，达到控温目的。电动百叶窗在入轨后全关，轨返分离前顺利打开，从而兼顾了轨道舱在自主飞行和留轨利用2种状态下舱内温度水平的要求。
蒸发器
“流体回路（阿波罗”指令舱与服务舱的）在使用升华器的基础上，耦合了一个蒸发器进行辅助散热。蒸发器通过壁面换热的形式对乙二醇溶液流体回路进行冷却，其工质为水。内部采用的是平板翅片夹层构型，流道为叉流布置方式。其内核由焊接的带鳍乙二醇流道簇单元，每一层的外表面焊接带鳍蒸汽流道组成。当辐射器出口温度超过9.5℃时自动打开蒸发器
美国用于空间站辐射器中的热控涂层_王旭东
据报道 , 在经过 5 000 ESH 的紫外线辐照后 , Z —93 型热控涂层的太阳吸收比从 0. 15 增加到了 0. 18 ,发射率始终为 0. 92 保持不变[14] 。从 LDEF 和 在 NASA2JSC 高速撞击研究实验室进行的太阳能动 力的辐射器项目的实验结果来看 , Z —93 型热控涂 层在抗高速撞击方面表现出了极为出色的性能 。高 速撞击形成的孔眼的周围区域仍然保持完好 ,即撞 击形成的危害被限制在 2 个撞击孔眼半径的范围 ,
原子氧对 Z —93 型热控涂层并没有十分明显的 退化作用 ,这一点已经在 LDEF 和 NASA 刘易斯实验 室进 行 的 太 阳 能 动 力 的 辐 射 器 项 目 中 得 到 了 证 实[11 , 12 ] 。以往在研究中发现 , 在真空环境中由于 ZnO 表面吸附氧的脱附 ,导致了 Z —93 型热控涂层 的光学性能发生了退化[13] 。然而在低地球轨道中 , 由于有原子氧存在 ,退化的 Z —93 型热控涂层的表 面会被重新地白化 ,使涂层的太阳吸收比降低 ,使涂 层的光学性能得到改善 。
POSS改性聚氨酯的研究进展
１ 物 理共 混法
如 内交联 改性 、 交联 改性 、 外 自交 联 改性 等 。 近年来 ， 多面体 齐 聚倍半 硅 氧烷 （ Ｏ Ｓ 改 性 聚 Ｐ Ｓ）
氨酯 的研 究 引 起 了 国 内 外 研 究 人 员 的 极 大 关 注 。 ＰＳ Ｏ Ｓ是 一类 三维 立体 结构 的有 机／ 无机 杂 化物 。分 子式 为 （ ＳＯ ） （ Ｒ ｉ ｎ＝６ ８ １ 、 、２等 ） Ｒ 可 为烷 基 、 ， 芳
和化 学性 质 的聚 氨酯材 料 。改性 方 法主要 为 有机 树 脂复 合改 性 、 天然 高分 子改 性 ， 聚氨 酯主链 结 构改性
材料 ， 具有 表 面效 应 、 尺 寸 效 应 、 米 量 子 尺 寸效 小 纳
应 等 特 殊 性 质 。将 Ｐ Ｓ Ｏ Ｓ引 入 聚 氨 酯 体 系 中 ， 能够 在 纳 米尺 度上 改性 聚氨 酯 ， 提高 聚 氨酯 的热稳 定性 、 耐 水性 、 候性 以及 力 学 强 度 等 性 能 。作 者从 物理 耐 共 混 法和化 学 改 性 法 两 个 方 面综 述 了近 年 来 Ｐ Ｓ ＯＳ
刘 新 许 ， 凯 付 子 恩 陈 鸣才
（ ．中 国科 学 院广 州化 学研 究所 １ 摘
５０ ５ ） ２ １ ６ ０ （ ．中国科 学院研 究 生 院 北京 １ ０ ３ ） ０ ０９
要 ：多面体 齐聚倍 半硅 氧 烷 （ Ｏ Ｓ 是 一 类 具 有 三 维 立 体 结 构 的 无 有机 杂 化 材 料 。采 用 Ｐ Ｓ）
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基于卫星在轨温度预示热控涂层性能退化的方法
基于卫星在轨温度预示热控涂层性能退化的方法宋馨;张有为;刘自军;斯东波【摘要】介绍了一种利用卫星在轨温度数据预示热控涂层在轨性能退化情况的方法,建立并推导了适用于研究热控涂层随整数年变化规律的数学模型,该模型利用卫星设备的温度曲线通过反演计算得到设备表面热控涂层的退化数据.为检验本文数学模型的计算效果,构造了一组数值试验,结果表明本文数学模型的计算数据与真实值非常接近,说明本文建立的数学模型能够很好地根据卫星在轨温度计算出热控涂层在轨退化数据.【期刊名称】《中国空间科学技术》【年(卷),期】2015(035)006【总页数】9页(P40-47,56)【关键词】热控涂层;性能退化;数值模拟;在轨数据反演;卫星【作者】宋馨;张有为;刘自军;斯东波【作者单位】北京空间飞行器总体设计部,北京100094;北京空间飞行器总体设计部,北京100094;北京空间飞行器总体设计部,北京100094;北京空间飞行器总体设计部,北京100094【正文语种】中文热控涂层在卫星热控制领域得到了非常广泛的应用，热控涂层的两个重要热辐射性能参数太阳吸收比和发射率决定了暴露于空间环境中卫星表面的温度水平。
由于卫星在轨运行期间会受到原子氧、紫外线、带电粒子等空间辐射的作用使热控涂层的性能发生退化，主要表现为太阳吸收比增大[1]，导致卫星温度升高，影响卫星的正常运行和在轨安全。
因此，研究卫星热控涂层性能的退化规律，对于卫星在轨安全运行和卫星热控设计都非常重要。
NASA通过在轨飞行试验和地面模拟试验研究了热控涂层性能退化规律[2-3]；我国在“东方红二号”卫星上对热控涂层(OSR)的在轨性能退化情况进行了测试[4]；文献[5-7]中研制了一套空间辐射环境模拟试验系统，对常用热控涂层的性能退化进行了大量试验研究；文献[8]对热控涂层性能退化的机理进行了理论研究。
由于在卫星上搭载热控涂层监视装置所消耗的资源代价非常大，目前的热控涂层性能退化研究工作仍然以地面试验和理论分析为主。
S781白漆在空间辐照环境下物性变化分析
S781白漆在空间辐照环境下物性变化分析
刘宇明;冯伟泉;丁义刚;郑慧奇;赵雪
【期刊名称】《航天器环境工程》
【年(卷),期】2007(024)004
【摘要】文章研究S781白漆分别在紫外、质子和紫外+质子+电子综合辐照环境下太阳吸收率(αs)的退化情况,并利用X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对样品表面的成分和形貌进行了分析.结果表明:S781白漆的αs受紫外辐照影响较小,但是在质子和综合辐照条件下退化明显.紫外辐照会对S781的硅树脂粘合剂产生裂解作用,质子辐照下样品表面会有污染形成,电子辐照会对深层的硅树脂性质产生影响.
【总页数】4页(P235-238)
【作者】刘宇明;冯伟泉;丁义刚;郑慧奇;赵雪
【作者单位】北京卫星环境工程研究所,北京,100094;北京卫星环境工程研究所,北京,100094;北京卫星环境工程研究所,北京,100094;北京卫星环境工程研究所,北京,100094;北京卫星环境工程研究所,北京,100094
【正文语种】中文
【中图分类】V416.5;V254.2
【相关文献】
1.S781白漆电子辐照后光学性能退化的恢复与保护 [J], 易忠;王旭东;沈自才;顾鹏飞
2.S781白漆低能质子辐照损伤的模拟研究 [J], 王旭东;程远;李春东;何世禹;杨德庄;顾鹏飞
3.S781热控涂层光学特性电子辐照退化模型研究 [J], 李丹明;田恺
4.空间环境中S781和SR107性能退化研究 [J], 刘宇明
5.大气环境下重复频率激光辐照45#钢反射率变化分析 [J], 王贵兵;罗飞;刘仓理因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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POSS改性卫星用白漆热控涂层的研究李瑜婧;刘刚;曹康丽;彭聪;周博;潘阳阳;陈志荣【摘要】A novel organic silicon resin is prepared by using POSS as modifier,and is further used to prepare a thermal control paint containing ZnO.The testing result shows that the resin can be cured at 50 ℃ and its cured coating exhibits good thermal stability and high optical transmittance 89％.The thermal control coating can meet the requirements of the standard for thermal control coating on the surface ofsatellite.Specifically,it's △αs is 0.05 and △εH is almost unchanged after vacuum UV radiation of 21 600 EUVSH,indicating that the white coating can be used as long-lasting thermal control material for satellite.%用笼型倍半硅氧烷(POSS)改性剂制备了新型硅树脂粘结剂,并用该粘结剂与ZnO配制了热控白漆.测试表明,该树脂能够在50℃固化,固化物光学透过率达到89％,耐热稳定性优异.配制成的白漆热控涂层性能满足卫星用热控涂层使用标准,经真空紫外辐照试验21 600等效紫外太阳小时(EUVSH)后,太阳吸收比变化为0.05,半球发射率基本不变,表现出良好的耐辐照稳定性,可作为长寿命卫星的热控材料使用.【期刊名称】《涂料工业》【年(卷),期】2017(047)007【总页数】7页(P6-12)【关键词】热控涂层;硅树脂;POSS;空间环境适应性;太阳吸收比【作者】李瑜婧;刘刚;曹康丽;彭聪;周博;潘阳阳;陈志荣【作者单位】上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240;上海卫星装备研究所,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TQ637.5热控涂层是专门用来调整航天器固体表面热学性能和光学性能以达到热控制目的的表面材料，是航天器热控制系统的重要组成部分，是卫星在轨运行安全的保证[1-2]。
涂料是热控涂层中使用最广泛的一种，在各类有机热控涂层中，有机硅涂层抗原子氧侵蚀能力较强，耐真空紫外辐照能力最强，是空间飞行器特别是卫星外表面较为理想的有机热控涂层[3-4]。
从国内外热控涂层的在轨使用情况来看，卫星总是在复杂且苛刻的环境中运行，现有产品低轨在轨运行后光学性能退化较为严重[5-9]，在空间环境中涂层经受原子氧效应、空间粉尘效应、太阳电磁射线和带电粒子效应等作用[10-12]，会出现褶皱、裂纹或脱落等现象，特别是对光学性能的影响较大，造成热控性能大幅降低。
热控材料的失效直接影响卫星的使用寿命。
同时，目前国内使用的有机热控涂层，在喷涂过程中需要较高的固化温度，这会对结构精密的卫星单机带来不利的影响。
POSS这种有机无机杂化材料正是为了适应苛刻的航空航天使用环境而研制的一种化合物[13]。
POSS一般都为无色的晶体物质，随着有机取代烷基链长的增加，其熔点和密度下降，而升华度以及在有机溶剂中的溶解性却增加。
POSS与其他倍半硅氧烷相比有着最高的熔点和最低的挥发性，一般无味，对环境无污染，是理想的航天材料。
POSS正方形立体中空结构对元素有一定的捕捉能力，在原子氧环境中，可以起到捕捉原子氧的作用；独特的笼型Si—O—Si结构决定了其在空间环境中良好的耐受性[14]。
Minton等[15]在2011年通过低地球轨道飞行试验和地面原子氧侵蚀试验对聚酰亚胺(Kapton)进行了2次暴露试验，证实聚酰亚胺受到原子氧侵蚀作用明显，而POSS掺杂后，2次暴露试验的侵蚀程度几乎无差别，POSS 对抵抗原子氧侵蚀的效果明显。
相对于传统物理溅射沉积的涂层，杂化材料具有开裂倾向小、制备工艺简单可控、适合大面积涂覆等优点，在工程化应用方面具有很大的优势。
本文利用这种耐辐照、抗原子氧性能优异的笼型大分子对有机硅树脂进行改性，通过对树脂的分析，发现POSS改性的硅树脂可以在较低的温度下固化，并且表现出良好的光学性能和耐热稳定性；制备的热控涂层达到了空间环境稳定性的试验要求，并且在真空紫外辐照试验中表现出了良好的稳定性，期望能够作为长寿命的热控涂层，为新一代航天器进行材料储备。
1.1 实验原料加成型乙烯基硅树脂：工业级，杭州硅基材料科技有限公司；ZnO、正硅酸四乙酯：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；二甲苯：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；八乙烯基倍半硅氧烷：分析纯，Hybrid Plastics；一丙烯基丁基倍半硅氧烷、八甲基倍半硅氧烷：Hybrid Plastics；S781树脂：航天级，中国科学院上海有机化学研究所。
1.2 材料制备1.2.1 POSS改性硅树脂的制备基体树脂选用乙烯基MQ硅树脂与含氢硅油组成的加成型乙烯基硅树脂。
乙烯基类POSS和所选用的基体硅树脂都含有乙烯基，可以通过与含氢硅油的加成作用使POSS连接在基体硅树脂的网络结构中，形成一个连续的大分子链，并在整个体系中形成网状结构；非反应性POSS中不含可反应的官能团，通过物理共混改性基体硅树脂，使其在硅树脂中达到分子水平的分散，不影响硅树脂的聚合八乙烯基POSS、一丙烯基丁基POSS(图1a和图1b)采用在离子型Pt催化剂作用下与基体硅树脂进行溶液聚合，制备成共聚型的POSS改性的硅树脂，分别命名为H1、H2。
八甲基POSS通过超声振动和机械搅拌方式与基体硅树脂混合均匀，形成共混改性的硅树脂，命名为H3。
POSS的添加量均为基体树脂质量的5%。
1.2.2 热控白漆的制备在制备树脂的基础上，以ZnO粉末为白色颜料，配制成热控白漆，ZnO的量为树脂总量的3倍，并加入适量的二甲苯做溶剂。
配制过程加入玻璃微珠进行研磨，使ZnO粉末与硅树脂进行充分混合。
配制完成后，需在2 h内喷涂。
将喷涂过底漆的铝合金板材用丙酮擦洗干净，烘干。
用喷枪将配制好的改性热控白漆均匀喷涂在试片上，一次性完成喷涂，达到总厚度为180～200 μm。
喷涂完成后，将试片放入烘箱中，70 ℃烘干12 h。
1.3 测试与表征实验性能测试与表征所用仪器及测试标准见表1。
2.1 POSS改性硅树脂的性能表征2.1.1 POSS改性硅树脂的固化行为离子型Pt催化剂具有较高的催化活性，能在较低温度下使乙烯基硅树脂发生聚合反应。
选择离子型催化剂，加入适当的溶剂及稳定剂稀释，配成实验所需的催化剂溶液，分别在H1、H2、H3树脂中加入6×10-6 g/g进行固化反应，其固化过程的DSC曲线如图2所示，3种树脂起始固化温度(Ti)和峰值温度(Tp)见表2。
从表2可知，H2树脂的起始固化温度为50 ℃，且固化过程较为平缓。
对于卫星载荷中结构精密的单机，对温度更为敏感，稳定性要求更高，低温固化的热控涂层能够更好地满足使用需求。
离子型Pt催化剂做固化时的催化剂，不仅能够满足低温固化保护航天器设备的需要，且加入量小，可以降低催化剂在白漆热控涂层中的2.1.2 POSS改性硅树脂固化过程中基团的变化为研究加入POSS改性后的硅树脂的固化性能，利用FT-IR对加入不同POSS的3种硅树脂进行红外分析，结果见图3。
根据3种树脂固化DSC曲线，以及热控涂层在实际使用时的固化条件限制，将固化过程制定为在70 ℃下固化12 h。
图3中2 960 cm-1处系归属于乙烯基树脂和乙烯基POSS中基团的C—H的伸缩振动峰；2 140 cm-1处系归属于含氢硅油的Si—H的伸缩振动峰；1 410 cm-1处系归属于Si—C的伸缩振动峰，其在固化12 h后基本消失。
2.1.3 POSS改性硅树脂的光学性能热控涂层主要利用太阳吸收比(αs)与半球发射率(εH)的比值(即吸收-发射比)来控制物体表面的温度。
材料的光学特性对热控效果影响最为突出，因此，作为涂层粘结剂的基体树脂的光学性能也尤为重要。
实验利用紫外/可见光光谱仪分析了3种树脂片状固化物的光学透过率[16]。
图4是3种树脂在波长为200～1 000 nm范围内的光学透过率曲线。
从图4可以看出，H1、H2、H3树脂固化物的光学透过率依次递增，分别为86%、89%和91%，H3树脂固化物的光学透过率最佳。
测试结果说明3种POSS添加量为5%时，在基体硅树脂中都具有良好的分散性；H1树脂中所添加的八乙烯基POSS含有8个乙烯基官能团，在反应中可能会由于位阻效应，8个乙烯基官能团不能全部参与反应，在形成的硅树脂当中，结构不够规整，影响了光学透过率；H2树脂中添加的一丙烯基丁基POSS与八乙烯基POSS相比，聚合反应位阻低，形成的聚合物结构会更为规整；H3树脂虽然以物理共混方式添加，但由于其本身结构规整，与基体树脂相容性好，形成的改性硅树脂光学透过率最优。
2.1.4 POSS改性硅树脂形貌分析图5是3种树脂固化物的实物照片及SEM照片。
从图5中3种树脂固化物的实物照片中可以看出，3种树脂固化物均为质地均一、透明度较好的树脂样片。
为了进一步表征3种POSS在树脂中的分散状况，利用SEM对树脂的形貌加以分析。
从图5的SEM照片上看，3种树脂都是均一的材料，没有形成团聚，3种POSS在硅树脂基体中都得到了较好的分散，成为均相材料。
2.1.5 POSS改性硅树脂的耐热稳定性为研究加入POSS改性后的硅树脂的热稳定性，利用TGA对添加不同POSS的3种硅树脂固化物进行热失质量分析。
图6是在氮气气氛中3种固化硅树脂的TGA曲线，分析结果列于表3。
从图6及表3中可以看出，H2树脂固化物失质量5%时的温度(Td5)较高，1 000 ℃质量保持率最高，是比较理想的选择。
综合上述测试结果来看，优选H2树脂作为POSS改性的白漆热控涂层的粘结剂。
在反应形式上，H2树脂中的一丙烯基丁基POSS只有1个反应官能团与乙烯基树脂反应，接枝在硅树脂的主链，形成侧基取代基，其反应温度最低，在喷涂操作中更有利于低温固化的需求；H2树脂固化物结构规整、质地均一、透明性良好，光学性能满足使用要求；H2固化产物热稳定性表现良好，1 000 ℃质量保持率最高，有利于制备成的热控涂层表现出更好的空间环境稳定性。