CN117866506B - 用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料及其制备方法，所述涂料包括如下重量份数的各组分：涂层粘结剂树脂1份～100份；表面生长CNTs的金属颗粒10份～60份；表面生长CNTs的金属颗粒，CNTs对金属包覆率大于90％；制备方法包括将涂层粘结剂树脂溶解在有机溶剂中稀释到20‑25％wt，加入表面生长CNTs的金属颗粒，混合搅拌均匀获得所述涂料。将所述涂料在基材表面喷涂，在100℃～150℃下固化12～36h，可得辐射防护与热控一体化涂层。本发明解决了现有的辐射防护金属材料防护效率低，在使用时与热控系统产生的冲突，且包覆过程施工工艺较为复杂的问题。

Description

用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，具体涉及用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料及其制备方法和应用。

背景技术

航天器在轨运行时会受到地球辐射带影响产生总剂量效应，总剂量效应会对卫星电子元器件产生严重损害，当航天器运行至地球内辐射带区域时，粒子辐射环境中质子对总剂量的贡献起主导作用，部分卫星沿用高轨卫星采用和增加高原子序数金属(钽、铅等)的防护设计来作为物理屏蔽，这种屏蔽方式存在加工工艺复杂、与器件适应性差、重元素对质子防护性能较差等问题。而采用增厚铝壳提高器件的抗总剂量能力，自重高，不满足航天器轻量化设计需求。

现有屏蔽材料除金属外，还有以聚乙烯为基体掺杂金属粉末和纳米材料的薄膜材料，使用方法为卫星舱外、单机壳外部、器件外部包覆。由于其基体材料及包覆形式限制，导致器件散热不佳，与卫星热控系统产生冲突。

发明内容

本发明是要解决现有的辐射防护金属材料防护效率低，辐射防护复合薄膜材料在使用时与热控系统产生的冲突，且包覆过程施工工艺较为复杂的问题，而提供了一种用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料及其制备方法。

本发明的提供的技术方案如下：

一种用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料，所述涂料包括如下重量份数的各组分：

涂层粘结剂树脂1份～100份；

表面生长CNTs的金属颗粒10份～60份；

所述表面生长CNTs的金属颗粒，CNTs对Cu包覆率大于90％。

作为本发明的一个实施方式，所述涂料包括如下重量份数的各组分：

涂层粘结剂树脂10份～90份；

表面生长CNTs的金属颗粒20份～50份；

所述表面生长CNTs的金属颗粒，CNTs对金属包覆率大于90％。

作为本发明的一个实施方式，所述涂料包括如下重量份数的各组分：

涂层粘结剂树脂50份～70份；

表面生长CNTs的金属颗粒30份～40份；

所述表面生长CNTs的金属颗粒，CNTs对金属包覆率大于90％。

所述表面生长CNTs的金属颗粒为表面生长CNTs的Cu颗粒。

述表面生长CNTs的Cu颗粒的制备方法包括如下步骤：

步骤1、将硝酸铁溶液作为前驱体溶液，浸渍Cu颗粒，形成负载催化剂前驱体的Cu颗粒，干燥，得到表面分散金属Fe的Cu颗粒；

步骤2、将表面分散金属Fe的Cu颗粒置于反应器中，通入惰性气体排空空气，再通入H₂作为载气，升温至750℃～1000℃，通入C₂H₂作为碳源，开始碳纳米管的生长，生长时间30-80min，获得表面生长CNTs的Cu颗粒。

步骤2中，所述H₂流量60sccm-80sccm；所述C₂H₂的流量为100sccm-120sccm。

步骤2中，所述反应器为管式炉。

涂层粘结剂树脂包括环氧树脂、有机硅树脂、聚硅氮烷树脂中的至少一种。

本发明还提供一种用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料的制备方法，包括如下步骤：

将涂层粘结剂树脂溶解在有机溶剂中稀释到20-25％wt，加入表面生长CNTs的金属颗粒，混合搅拌均匀，即得所述用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料。

所述有机溶剂为二甲苯。

本发明还提供一种辐射防护与热控一体化涂层，所述辐射防护与热控一体化涂层由包括如下步骤的制备方法制备获得：

将所述用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料在基材表面喷涂，在100℃～150℃下固化12～36h，即得到所述辐射防护与热控一体化涂层。

CNTs对金属包覆率要大于90％，可以有效地提高金属颗粒的导热能力，金属表面的CNTs可以在树脂基体中形成导热链路，较单独金属颗粒，包覆CNTs的金属颗粒在形成导热链路时由金属颗粒间的点连接变成CNTs间的线连接；同时，CNTs在基体材料中，可以利用碳元素较高的质子阻止本领，提高对质子的吸收能力；

所述涂层粘结剂树脂包括E51环氧树脂、乙烯基MQ有机硅树脂、乙烯基聚硅氮烷树脂等。

本发明还提供一种用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料的应用，是将该涂料用于卫星防护空间质子辐射的同时替代卫星舱内高辐射率黑漆。

本发明提供的涂料使用时，采用喷涂的实施，较金属屏蔽材料、复合防护薄膜等更便于实施。

本发明具有以下优点：

1、本发明提供的涂料，由于采用的是涂料喷涂的实施方式，较金属屏蔽材料、复合防护薄膜等更便于实施，拓展了其使用范围；

2、本发明提供的涂料，制备涂料过程中，采用的表面生长CNTs的金属颗粒，可以有效的提高涂料的导热性能，同时具有较高的半球发射率，在用于卫星辐射防护时，有利于器件的热量传导及热量在真空环境下的辐射；

3、本发明提供的涂层，防护质子效率相对于纯铝(相同质量厚度下)提高到1.14倍～1.94倍；

4、本发明提供的涂层，导热系数达到0.21W/m·K～0.87W/m·K，半球发射率达到0.85～0.90。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明中：

E51环氧树脂：上海树脂厂有限公司；

加成型MQ有机硅树脂：浙江硅创科技股份有限公司；

乙烯基聚硅氮烷树脂：安徽艾约塔硅油有限公司。

制备例1表面生长CNTs的金属(Cu或Fe或Ta或Pt)颗粒的制备表面生长CNTs的金属Cu或Fe或Ta或Pt颗粒的制备方法如下：

S1、用0.1mol/L硝酸铁作为前驱体溶液，浸渍金属(Cu或Fe或Ta或Pt)颗粒30min，形成负载催化剂前驱体的(Cu或Fe或Ta或Pt)颗粒，之后100℃干燥，得到表面均匀分散金属Fe的金属(Cu或Fe或Ta或Pt)颗粒；

S2、将分散金属Fe的金属(Cu或Fe或Ta或Pt)颗粒转移至管式炉中，先通入惰性气体排空5min，再通入60sccm H₂作为载气，升温至800℃(750℃～1000℃)，后通入120sccmC₂H₂作为碳源，在高温下开始碳纳米管的生长，生长结束后关闭H₂和C₂H₂，体系在惰性气体下冷却至室温后将样品从装置内取出即获得表面生长CNTs的金属(Cu或Fe或Ta或Pt)颗粒。

生长30min后获得CNTs对(Cu或Fe或Ta或Pt)包覆率50％的表面生长CNTs的金属(Cu或Fe或Ta或Pt)颗粒。

生长80min后获得CNTs对Cu包覆率90％的表面生长CNTs的金属(Cu或Fe或Ta或Pt)颗粒。

实施例1-5

实施例1-5涉及一种用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料及其制备方法。实施例1-5的涂料组分及用量如表1所示。

表1实施例1-5所述的涂料中的组分及用量(单位：重量份数)

2、实施例1-5所述用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料的制备方法，包括如下步骤：

S1、称取涂层粘结剂树脂、表面生长CNTs的金属颗粒、二甲苯备用；

S2、将涂层粘结剂树脂溶解在二甲苯中，将表面生长CNTs的金属颗粒加入涂层粘结剂树脂溶液，混合搅拌，直至涂料均匀；

S3、将配制好的涂料在基材表面喷涂，固化条件参见表1，即得到辐射防护与热控一体化涂层。

实施例1～5的涂层结构示意图见图1，表面生长CNTs的Cu颗粒均匀分布在树脂粘结剂中，形成均以稳定的质子辐射防护与热控一体化涂层。当质子入射时，与涂料粘结剂及颗粒相互作用，通过碰撞与吸收损失能量，实现入射质子的高效能损与吸收，核壳结构界面及其与涂料粘结剂形成的界面可对二次粒子形成进一步的吸收。同时，颗粒之间表面CNTs互相连接，形成导热链路，较球形Cu颗粒在形成导热链路时有更高的效率，因此更有利于提高涂层的导热性能。

对比例1

对比例1与实施例2的区别在于，将表面生长CNTs的Cu颗粒替换为表面生长CNTs的Fe颗粒。

对比例2

对比例1与实施例2的区别在于，将表面生长CNTs的Cu颗粒替换为表面生长CNTs的Ta颗粒。

对比例3

对比例1与实施例2的区别在于，将表面生长CNTs的Cu颗粒替换为表面生长CNTs的Pt颗粒。

对比例4

对比例4与实施例2的区别在于，CNTs对Cu包覆率为50％。

表2对比例1所述的组合物的组分及用量(单位：重量份数)

性能测试例1

对实施例1～5及对比例1～4制备的涂层，以及现有纯铝(对照组)进行质子辐照防护测试。

1、试验方法：

质子辐照防护性能测试方法：利用粒子加速器产生10MeV的单能质子束流辐照样品，由于质子穿透样品后，质子能量发生歧离，因此使用质子能量探测器记录透过样品之后的质子的能量值，最终形成透射能谱，选取透射能谱峰值对应的能量值E_p(同时也是透射质子的平均能量)来表征透射质子的能量，其中E₀为所用单能质子的能量，通过下式计算样品的在近似能谱入射下的质子防护效率η_p，单位“％”：

2、试验结果：

在相同质量厚度下辐射防护材料S1～S4及D1～4的质子防护效率与纯铝的对比结果见表3。

从表3中，可以观察到在相同质量厚度下辐射防护材料S2的质子防护效率最大是纯铝的1.94倍(辐射防护材料I或纯铝的防护效率，以防护效率为纵坐标，以质量厚度为横坐标做图)。

性能测试例2

对实施例1～5及对比例1制备的涂层，按ASTM E1269用差示扫描量热法测定比热容的标准试验方法测得比热控c，按ASTM E1461用闪光法测定热扩散系数的标准试验方法测得热扩散系数α，通过公式λ＝αρc计算获得导热系数λ，测试结果见表3。

性能测试例3

对实施例1～5及对比例1制备的涂层，按标准GJB2502.3-2015航天器热控涂层试验方法第3部分：发射率测试进行半球发射率ε_H测试，测试结果见表3。

表3实施例及对比例与纯铝的防护效率、导热系数、半球发射率对比数据

本发明的一种用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料，由于采用的是涂料喷涂的实施方式，较金属屏蔽材料、复合防护薄膜等更便于实施，拓展了其使用范围。同时，CNTs在基体材料中，利用碳元素较高的质子阻止本领，提高了吸收质子的效果。采用的表面生长CNTs的Cu颗粒，有效提高涂料的导热性能，提高了器件的热量传导效果。加入表面生长CNTs的Cu颗粒，使涂料具有较高的半球发射率，提升了真空环境下的辐射效果。本发明提供的涂料由环氧树脂作为粘结剂，表面生长CNTs的Cu颗粒作为填料而成。其作用是解决现有的辐射防护金属材料防护效率低，辐射防护复合薄膜材料在使用时与热控系统产生的冲突，且包覆过程施工工艺较为复杂的问题。涂料是用于防护空间质子辐射。本发明适用于辐射防护领域。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料，其特征在于，所述涂料包括如下重量份数的各组分：

涂层粘结剂树脂1份～100份；

表面生长CNTs的金属颗粒10份～60份；

所述表面生长CNTs的金属颗粒，CNTs对金属包覆率大于90%；

所述表面生长CNTs的金属颗粒为表面生长CNTs的Cu颗粒；

所述表面生长CNTs的Cu颗粒的制备方法包括如下步骤：

步骤1、将硝酸铁溶液作为前驱体溶液，浸渍Cu颗粒，形成负载催化剂前驱体的Cu颗粒，干燥，得到表面分散金属Fe的Cu颗粒；

步骤2、将表面分散金属Fe的Cu颗粒置于反应器中，通入惰性气体排空空气，再通入H₂作为载气，升温至750℃~1000℃，通入C₂H₂作为碳源，开始碳纳米管的生长，生长时间30-80min，获得表面生长CNTs的Cu颗粒。

2.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，所述涂料包括如下重量份数的各组分：

涂层粘结剂树脂10份～90份；

表面生长CNTs的金属颗粒20份～50份。

3.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，所述涂料包括如下重量份数的各组分：

涂层粘结剂树脂50份～70份；

表面生长CNTs的金属颗粒30份～40份。

4.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，步骤2中，所述H₂流量60-80 sccm；所述C₂H₂的流量为100 sccm -120 sccm。

5.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于，所述涂层粘结剂树脂包括环氧树脂、有机硅树脂、聚硅氮烷树脂中的至少一种。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将涂层粘结剂树脂溶解在有机溶剂中稀释到20-25%wt，加入表面生长CNTs的金属颗粒，混合搅拌均匀，即得所述用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料。

7.一种辐射防护与热控一体化涂层，其特征在于，所述辐射防护与热控一体化涂层由包括如下步骤的制备方法制备获得：

将权利要求1-5中任一项所述用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料在基材表面喷涂，在100℃~150℃下固化12～36h，即得到所述辐射防护与热控一体化涂层。

8.一种如权利要求1-5中任一项所述用于空间质子辐射防护与热控一体化的涂料的应用，其特征在于，将该涂料用于卫星防护空间质子辐射的同时替代卫星舱内高辐射率黑漆。