Радиационная стойкость термостабилизирующих покрытий космических аппаратов на основе титаната бария

Системы терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА), обеспечивающие заданный тепловой режим, делятся на активные и пассивные. Активные СТР являются громоздкими, сложными в исполнении и не могут быть применены для охлаждения выносных блоков и некоторых приборов. Поэтому наряду с ними используются пассивные СТР, включающие радиаторы терморегулирования и терморегулирующие покрытия, наносимые на различные поверхности, приборы и блоки КА, температуру которых необходимо поддерживать в заданных пределах.

До настоящего времени применяются терморегулирующие покрытия, излучательная способность ( ε ) которых в зависимости от температуры практически не изменяется. Поскольку в космическом пространстве (КП) отвод тепла от КА возможен только излучением, то поддержание температуры поверхностей КА на заданном уровне при деградации интегрального коэффициента поглощения во время полета возможно за счет изменения излучательной способности покрытий в зависимости от температуры.

Соединения типа Ba1-xAxTiO3 и BaTi1-уВуО3 обладают фазовыми переходами (ФП), при которых по электрическим свойствам они изменяются от диэлектрического до квазиметаллического состояния. Поскольку излучатель- ная способность определяется концентрацией носителей заряда, то в области ФП она может изменяться от значений, характерных для металлов, до значений, характерных для диэлектриков, т. е. в пределах от 0,1 до 0,96. Варьируя типом и концентрацией замещающих элементов А или B, а также условиями получения пигментов, принципиально можно управлять фазовыми переходами покрытий, изготовленными на основе таких соединений [1; 2]. В случае нагрева покрытия до температуры ФП, его излучательная способность скачкообразно увеличится, что приведет к увеличению излучаемой энергии и стабилизации температуры. Таким образом, использование таких покрытий позволит стабилизировать температуру и повысить надежность работы систем КА.

Во время орбитального полета КА под действием излучений КП в покрытиях образуются радиационные дефекты и центры поглощения, что приводит к уменьшению коэффициента отражения ( ρ ) и увеличению интегрального коэффициента поглощения ( а_s ). Излучательная способность покрытий под действием излучений практически не изменяется, поэтому температура КА, определяемая соотношением Т~( a_s / ε )^0,25, будет зависеть от значений а_s покрытия и их устойчивости к воздействию излучений КП.

Целью настоящей работы является исследование спектров диффузного отражения покрытий (состоящих на

• 75 % из пигмента Ba_0,6Al_0,4TiO₃ или BaTi_0,7Zr_0,3O₃– титаната бария, модифицированного микро- или нанопорошками Al₂O₃ или ZrO₂ и на 25 % из связующего – лака КО-859) и их стабильности при облучении ускоренными электронами.

Для синтеза пигментов были использованы следующие исходные компоненты: титанат бария (чистота 99,9 %), микропорошки оксида алюминия квалификации ЧТУ 6-09-426-75 и диоксида циркония квалификации ОСЧ марки 9-2, а также нанопорошки Al2O3 и ZrO2, полученные плазмохимическим способом [3].

Спектры диффузного отражения ( ρ_λ ) регистрировали в области 360–2100 нм в установке-имитаторе условий КП «Спектр» [4] до и после каждого периода облучения электронами ( Е = 30 кэВ, ϕ = 1∙10¹² см^–2с^–1) в вакууме 10^–6 тор на месте облучения (in situ).

Из спектров ρ_λ (рис. 1) следует, что коэффициент отражения покрытий на основе порошка BaTiO₃, модифицированного микропорошками на 5–7 % больше коэффициента отражения покрытий, пигменты которых модифицированы нанопорошками. Такое соотношение выполняется в области λ ≤ 630 нм для покрытий на основе порошка Ba_0,6Al_0,4TiO₃ и по всему спектру для покрытий на основе порошка BaTi_0,7Zr_0,3O₃.

300   500   700   900  1100 1300 1500 1700 1900 X, НМ

Рис. 1. Спектры диффузного отражения покрытий на основе пигментов Ba_0,6Al_0,4TiO₃ ( а ) и BaTi_0,7Zr_0,3O₃ ( б ), модифицированных микропорошками (1) и нанопорошками (2). Разностные спектры диффузного отражения, полученные вычитанием спектров 2 из спектров 1 соединений Ba_0,6Al_0,4TiO₃ (3) и BaTi_0,7Zr_0,3O₃ (4)

Коэффициент аs, рассчитанный по методике [5], составил 0,142; 0,157; 0,156 и 0,2 для покрытий на основе пигментов, модифицированных микро- и нанопорошками оксида алюминия, микро- и нанопорошками диоксида циркония соответственно, что позволяет исследуемые покрытия отнести к классу «солнечные отражатели».

После облучения электронами интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения всех типов покрытий увеличивается за счет ухудшения отражательной способности. Из кинетики изменения а_s при облучении покрытий электронами (рис. 2) следует, что радиационная стойкость покрытий на основе пигментов, модифицированных нанопорошками на 10 и 20 % выше по сравнению с покрытиями, модифицированными микропорошками ZrO₂ и Al₂O₃ соответственно. Покрытия на основе титаната бария, модифицированного микро- и нанопорошками диоксида циркония обладают на 19 и 11 % большей радиационной стойкостью, чем покрытия, пигмент которых был модифицирован микро- и нанопорошками оксида алюминия.

Рис. 2. Зависимость изменений интегрального коэффициента поглощения от времени облучения электронами с энергией 30 кэВ при ϕ = 1 ⋅ 10¹² см^–2 ⋅ с^–1 покрытий на основе пигментов

Ba_0,6Al_0,4TiO₃ ( а ) и BaTi_0,7Zr_0,3O₃ ( б ) модифицированных микро- (1) и нанопорошками (2)

Выполненные исследования показали, что коэффициент диффузного отражения в области от 360 до 2 100 нм покрытий на основе титаната бария, модифицированного нанопорошками, на 5–7 % меньше по сравнению с коэффициентом диффузного отражения покрытий на основе пигментов, модифицированных соответствующими микропорошками. Уменьшение обусловлено большим поглощением собственными точечными дефектами в поверхностном слое нанопорошков, определяемым их большей удельной поверхностью.

Радиационная стойкость покрытий на основе порошков титаната бария, модифицированных нанопорошками, до 20 % больше по сравнению с радиационной стойкостью покрытий на основе порошков BaTiO3, модифицированных микропорошками. Увеличение радиационной стойкости определяется релаксацией электронных возбуждений на поверхности наночастиц и меньшей концентрацией образованных центров поглощения.

Таким образом установлено, что модифицирование пигментов на основе титаната бария нанопорошками Al2O3 и ZrO2 вместо соответствующих микропорошков является достаточно эффективным методом повышения радиационной стойкости термостабилизирующих покрытий, изготавливаемых на их основе.