ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ РАДИООТРАЖАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИМ ФАКТОРАМ

Полный текст

Радиоотражающие покрытия рефлекторов космических аппаратов Ка-диапазона должны обладать следующими характеристиками: коэффициент радиоотражения на частоте 22-24 ГГц не менее 0,98, стабильные термооптические характеристики, адгезионная прочность, стойкость к температурному диапазону эксплуатации. Покрытия должны выдерживать воздействие ионизирующего излучения в течение 15 лет и хранение в условиях склада при влажности 80 % в течение 6 лет. Для создания высокоэффективного в высокочастотном диапазоне радиоотражающего покрытия была разработана технология напыления многослойного покрытия методом магнетронного распыления, были изготовлены экспериментальные образцы радиоотра жающих покрытий (табл. 1). Изготовленные образцы подвергались различным видам испытаний. Ускоренные климатические испытания (УКИ), предназначенные для имитации хранения элементов конструкций и КА в процессе производственного цикла и хранения в условиях склада, проводили в климатической камере КРК-04, которая позволяет проводить испытания в диапазоне температур от -30 °С до +100 °С и относительной влажности в диапазоне от 10 до 100 %. Образцы крепились в вертикальном положении на специальную технологическую оснастку. Ускоренные климатические испытания проводили согласно ГОСТ 15150 по режимам, указанным в табл. 2. * Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, государственный контракт № 02.g25.31.0043. 227 Вестник СибГАУ. № 4(50). 2013 Таблица 1 Изготовленные образцы радиоотражающего покрытия № образца Схема покрытия толщина покрытия, мкм Размер образцов, мм NiCr Al SiO2 6341-05(1) 0,1 3 0,2 100x100 6341-04(4) 35x35 6341-05(5) 0,2 3 0,2 100x100 6341-04(8) 35x35 6341-05(9) - 3 0,2 100x100 6341-04(12) 35x35 6341-05(14) 0,2 1 0,2 100x100 6341-04(16) 35x35 6341-05(23) - 1 0,2 100x100 6341-04(26) 35x35 6341-05(28) 0,1 1 0,1 100x100 6341-04(28) 35x35 6341-05(29) 0,1 1 - 100x100 6341-04(30) 35x35 Таблица 2 Режимы УКИ Температура, °С Влажность, % Время выдержки, сутки Количество циклов Имитация срока службы 70 ± 2 Не нормируется 9 6 6 лет наземного хранения 30 ± 2 95 ± 3 % 3 Технологическую оснастку с образцами помещали в камеру, причем расстояние до стенок и верхней части камеры составляло не менее 100 мм, до дна камеры - 200 мм. До и после испытаний контролировали следующие характеристики: - внешний вид многослойного радиоотражающего покрытия; - терморадиационные характеристики As, En; - коэффициент радиоотражения; - адгезионную прочность. Измерение коэффициента поглощения солнечного излучения (As) проводилось при помощи спектрореф-лектометра LPSR 300. Измерение коэффициента излучения (En) проводилось на рефлектометре TEMP-2000А. Измерение коэффициента радиоотражения проводили с помощью генератора Г4-155, аттенюатора Д3-35А и измерительной линии Р1-30. Адгезионную прочность покрытий контролировали с помощью пневматического адгезиометра DeFelsko PosiTest AT-M . Осмотр внешнего вида образцов многослойных радиоотражающих покрытий показал, что после проведенных ускоренных климатических испытаний внешний вид покрытий не изменился. Измерения терморадиационных характеристик и толщины покрытий до и после УКИ показали что они остались низменными, в пределах погрешности прибора. На образцах радиоотражающих покрытий без до полнительного адгезионного подслоя наблюдается уменьшение адгезии покрытия. Коэффициент радиоотражения многослойных радиоотражающих образцов покрытий до и после воздействия климатических факторов представлен в табл. 3. Результаты измерений коэффициента радиоотражения образцов после воздействия ускоренных климатических испытаний показали ухудшение радиохарактеристик на образцах с толщиной алюминиевого слоя 3 мкм. Ухудшение, скорее всего, связано с образованием микротрещин в более толстом слое алюминиевого покрытия и началом коррозионного процесса при воздействии температуры и влажности при испытаниях, которые не видны невооруженным глазом. Это подтверждает и микроизображения поверхности образцов с толщиной алюминиевого слоя 1 и 3 мкм, зафиксированные с помощью сканирующего электронного микроскопа TESCAN VEGA 3 Образцы с алюминиевым покрытием толщиной 1 мкм сохраняют свои радиохарактеристики. Испытания на радиационное воздействие проводили на образцах, прошедших предварительно климатические испытания. Радиационное облучение проводилось электронами на линейном ускорителе ЭЛУ-4, аттестованном в соответствии с требованиями стандартов ГОСТ РВ 20.57.415-97 и ГОСТ РВ 20.57.308-98. В процессе эксплуатации под воздействием ионизирующих излучений рабочие характеристики покрытий могут изменяться. 228 Технологические процессы и материалы Таблица 3 Коэффициент радиоотражения до и после испытаний № Схема покрытия толщина покрытия, мкм Коэффициент радиоотражения До воздействия После воздействия NiCr Al SiO2 Требуемые характеристики > 98 6341-04(4) 0,1 3 0,2 98,05 97,80 6341-04(8) 0,2 3 0,2 98,02 97,80 6341-04(12) - 3 0,2 98,02 97,90 6341-04(16) 0,2 1 0,2 98,12 98,05 6341-04(26) - 1 0,2 98,15 98,03 6341-04(28) 0,1 1 0,1 98,20 98,15 6341-04(30) 0,1 1 - 98,21 98,05 Для определения диапазона изменения характеристик покрытий КА под воздействием ионизирующих излучений КП, необходимо иметь данные о дозах, накапливаемых в них за весь период эксплуатации КА. Расчет поглощенных доз от электронов и протонов РПЗ в условиях КП проводится на базе моделей потоков электронов и протонов РПЗ. При сроке эксплуатации КА 15 лет материалы внешних поверхностей накапливают среднюю дозу до 6,6 10 6 Гр. Испытания разрабатываемых покрытий на воздействие электронов подтверждают работоспособность покрытий в условиях воздействия космической радиации в течение 15 лет. Облучение электронами проводили в среде газообразного азота и располагали так, чтобы их линейные размеры в направлении облучения не превышали значений, определяемых из выражения Е > 10 [L ■ ρ ]0,76, где Е - энергия электронов, МэВ; L - линейный размер (толщина) группы образцов в направлении облучения; ρ - плотность образцов. Средняя плотность потока электронов в месте размещения образцов - φ<, = 1,15 * 1010 см-2с-1. Погрешность измерения средней энергии - не более 8 %. Неравномерность плотности потока электронов в пределах облучаемой площади по результатам измерений составляла не более 18 %. Погрешность измерения средней плотности потока электронов φе в плоскости облучения - не более 9 %. Погрешность мониторирования и поддержания средней плотности потока в процессе облучения - не более 5 %. Значение поглощенной дозы D рассчитывали по формуле: D = φе · t · δ (Гр), где φ(; - средняя плотность потока электронов, см-2 с-1 ; t - время облучения, с; δ - удельная поглощенная доза по кремнию на один электрон с энергией 4 МэВ, равная 2,55 10-8 рад см-2 элекрон-1. В процессе облучения электронами в течение 33 ч, поглощенная доза образцов покрытий составила 6.6106 Гр. До и после испытаний контролировали следующие характеристики: - внешний вид многослойного радиоотражающего покрытия; - терморадиационные характеристики As, En; - коэффициент радиоотражения; - адгезионную прочность. Осмотр внешнего вида показал, что после проведенных испытаний на радиационное воздействие внешний вид покрытий не изменился. Воздействие радиационных испытаний до дозы 6· 106 Гр не приводит к изменению терморадиационных характеристик, адгезионной прочности и толщины покрытий. Радиационное воздействие приводит к незначительному снижению коэффициента радиоотражения. Образцы покрытий с толщиной алюминиевого слоя 1 мкм имеют коэффициент радиоотражения более 0,98, с алюминиевым покрытием толщиной 3 мкм -имеют значение незначительно меньше. Испытания на термоциклирование в вакууме проводили на образцах, прошедших предварительно климатические испытания и радиационное воздействие. Термоциклирование образцов проводили в термовакуумной камере ВУ-100. Термовакуумная камера обеспечивает: - вакуум не менее 6,7·10-3 Па; - диапазон температур от минус 190 °С до плюс 250 °С. Температура в камере контролируется термометрами сопротивления проволочными по ОСТ 92-0694. Термометры сопротивления устанавливаются на исследуемом образце и на термостоле. Контроль вакуума в камере измерялся при помощи вакуумметра ионизационно-термопарного типа ВИТ-3. Погрешность измерения параметров испытаний составляла не более: ±3 °С при измерении температуры, ±60 % при измерении вакуума (в интервале от 105 до 9,25 Па), ±35 % при измерении вакуума (в интервале от 9,25 до 6,7·10-3 Па). Термоциклирование образцов проводили в соответствии с EŒS-Q-70-04a в вакуумной камере при остаточном давлении не более 5 · 10-6 мм рт. ст. Образцы располагали на термостоле покрытием вниз, сверху закрывали коробом из фольги и экранновакуумной теплоизоляции. Нагрев и охлаждение осуществляли за счет теплового контакта и радиационного излучения с поверхности термостола. Нагрев тер 229 Вестник СибГАУ. № 4(50). 2013 мостола осуществляли лампами типа КГ-127-1000, а охлаждение - жидким азотом. Скорость нагрева-охлаждения составляла от 5 до 10 град/мин. Излучение от ламп на поверхность образцов не попадало. Количество циклов равнялось 100, как это требует EŒS-Q-70-04a для установления температурного диапазона эксплуатации покрытий в вакууме. Режимы термоциклирования приведены в табл. 4. До и после испытаний контролировали следующие характеристики: - внешний вид многослойного радиоотражающего покрытия; - терморадиационные характеристики As, En; - коэффициент радиоотражения; - адгезионную прочность. Осмотр внешнего вида показал, что после проведенных испытаний на термоциклирование в вакууме внешний вид покрытий не изменился. Измерения терморадиационных характеристик, адгезии и толщины покрытий до и после испытаний на термоциклирование в вакууме показали, что они остались низменными, кроме образцов с радиоотражающим покрытием без применения адгезионного, выравнивающего КТР подслоя из нихрома, у них адгезия снизилась и составляет 33-37 кг/см2. Все остальные образцы сохранили адгезию. Изменения терморадиационных характеристик As и En радиоотражающего покрытия находятся в пределах погрешности измерения приборов (±0,02). Термоциклирование в вакууме приводит к незначительному снижению коэффициента радиоотражения. Результаты контроля характеристик с двухслойной схемой изготовления (без защитного слоя SiO2) показали, что при испытаниях данная схема изготовления покрытия показала меньшую стабильность термора- Режимы терм диационных коэффициентов по сравнению с трехслойной схемой, поэтому такое двухслойное покрытие может быть использовано в конструкциях, в которых не возникают истирающие нагрузки и не требуется определенная механическая устойчивость. Измерения спектрального коэффициента отражения Rx радиоотражающих покрытий, выполненные на спектрофотометре LPSR 300, в оптическом диапазоне длин волн, отвечающем за поглощение электромагнитного излучения Солнца, от 250 до 2500 нм показали, что после воздействия УКИ, термоциклирования и радиации наблюдается незначительное снижение отражения покрытия (от 2 до 5 %) в УФ и видимой части спектра. Таким образом, проведенные испытания (УКИ, радиационное воздействие и термоциклирование в вакууме) показали, что при контроле всех характеристик, наилучшие результаты и требуемые характеристики имеют образцы радиоотражающих покрытий следующих схем изготовления: - нихром (0,2 мкм) + алюминий (1 мкм) + оксид кремния (0,2 мкм); - нихром (0,1 мкм) + алюминий (1 мкм) + оксид кремния (0,1 мкм); - нихром (0,1 мкм) + алюминий (1 мкм) (при отсутствии механических нагрузок). Данные схемы изготовления многослойного радиоотражающего покрытия выдержали все испытания с сохранением характеристик и могут быть рекомендованы для нанесения на углепластиковые рефлекторы антенн, работающие в диапазоне частот до 24 ГГц. Разброс толщин слоев нихрома и защитного слоя из оксида кремния составлял ±20 нм, алюминиевого слоя - ±100 нм (не более ±15 %). Таблица 4 Воздействующие факторы Показатели воздействующих факторов Температурный интервал для квалификации (c учетом квалификационного запаса ±10 °С) от -160 до 160 °С Вакуум, мм рт.ст, не более 1-10-5 Время выдержки при крайних температурах, мин 20 Скорость нагрева и охлаждения, град/мин от 5 до 10 Количество циклов 100

Об авторах

Анатолий Егорович Михеев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: michla@mail.ru
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой летательных аппаратов Российская Федерация, 660014, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Сергей Сергеевич Ивасев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: ivasev@sibsau.ru
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры управления качеством и сертификации Российская Федерация, 660014, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Александр Борисович Кузнецов

OAO «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: kusnezov@iss-reshetnev.ru
инженер отдела материаловедения Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Иван Валерьевич Башков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: vah@iss-reshetnev.ru
аспирант Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Дарья Владимировна Раводина

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

аспирант Российская Федерация, 660014, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы