Commentary Mikhail Mikhaylov

 

     Design of Smart Coating for Reliability Enhancement and Operation Life Extension of Space
    Systems

 

• Mikhail Mikhaylov
• Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics
• membrana2010@mail.ru

For English version click here

Актуальность темы проекта заключается в том, что в настоящее время во всех передовых странах начаты исследования по разработке научных основ и технологических принципов создания интеллектуальных покрытий, способных реагировать на изменение внешних условий. Такие покрытия называются «интеллектуальными покрытиями» за их способность реагировать на изменение внешних энергетических условий и изменять при этом свои свойства так, чтобы рабочие характеристики оставались на прежнем уровне. В 2013 году в Германии была проведена первая Международная конференция по таким покрытиям.

К одному из классов таких покрытий относятся термостабилизирующие покрытия (ТСП), обладающие свойствами регулировать излучаемую мощность и поддерживать на заданном уровне температуру объектов, на которые они нанесены. Обычные терморегулирующие покрытия (ТРП) предназначены для поддержания температуры космических аппаратов (КА) на заданном уровне за счет своих оптических свойств: интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения и интегральной излучательной способности. Отношение этих коэффициентов определяет температуру космического аппарата в начале полета. В процессе полета реально существуют как минимум три сложных ситуации:
1). Под действием излучений КП коэффициент поглощения аs увеличивается, излучательная способность при этом, как правило, не изменяется, что приводит к повышению температуры КА. Такие случаи реально происходят практически со всеми КА на любых орбитах. Вместо 20оС в исходном состоянии температура КА может повышатся до 40оС и даже до 60 оС.
2). При заходе КА в тень Земли или других планет энергия солнечного излучения не поступает и температура КА падает.
3). При вращении КА вокруг своей оси энергия солнечного излучения не поступает на противоположную от освещенной стороны часть корпуса и её температура падает.

Проблема может быть решена, если вместо обычных ТРП использовать ТСП, излучательная способность которых зависит от температуры в области рабочих температур КА. Зависимость такая, что по форме она близка к форме интеграла и изменяется от значений, близких к металлам и сплавам до значений, характерных для полупроводников и диэлектриков. При увеличении или уменьшении тепловой нагрузки и температуры ТСП изменяется его излучательная способность, и температура КА останется на прежнем уровне.

В будущем, возможна замена всех используемых ТРП на ТСП, как на корпусах КА и на отдельных их блоках, так и на радиаторах терморегулирования. Особую значимость ТСП могут иметь в КА открытого типа (рамочные или без корпуса) и в наноспутниках, в которых требуется стабилизация температуры отдельных блоков и приборов. Такие покрытия могут быть двух типов: с высокой отражательной способностью - белые отражающие покрытия и с высокой поглощающей способностью - черные поглощающие покрытия. Отражающие покрытия могут быть изготовлены на основе титанатов бария, поглощающие – на основе манганитов редкоземельных элементов.

Для смещения температуры Кюри (ТК) в заданную область разрабатывают покрытия с управляемыми фазовыми переходами путем частичного замещения катионов атомами других элементов. Например, катионы титана замещают атомами циркония и получают соединения BaTi(1-х)ZrxO3, ТК которых может находиться в области комнатной или даже отрицательных температур вместо температуры 120оС для не модифицированного титаната бария BaTiO3. Для соединений La(1-x) SrxMnO3, в которых катионы лантана частично замещены атомами стронция, ТК может находиться в области комнатной температуры вместо температуры минус 145оС для исходного манганита лантана LaMnO3.

Такие покрытия в земных условиях подвержены действию квантов солнечного спектра, в условиях космического пространства дополнительными видами излучений являются заряженные частицы. Поэтому они должны обладать высокой фото - и радиационной стойкостью. Для ее достижения покрытия модифицируют наночастицами, которые выполняют роль центров релаксации дефектов, образованных действие излучений. Изготовить такие покрытия можно в виде керамических плиток, в виде пленок или в виде эмалей и красок. Каждый из этих типов покрытий имеет свои достоинства и недостатки. Плитки сложны в изготовлении, не технологичны при нанесении, имеют большой вес и стоимость и не высокую надежность в эксплуатации из-за малой адгезии к поверхностям, на которые приклеены. Покрытия в виде эмалей и красок более технологичны по сравнению с керамическими покрытиями при изготовлении и нанесении, обладают малым весом, более высокой надежностью в эксплуатации, но имеют низкую стойкость к действию излучений из – за наличия в их составе полимерных связующих. Покрытия в виде тонких пленок лишены указанных недостатков керамических плиток, эмалей и красок. Но пленки толщиной несколько микрометров обладают малой излучательной способностью и из них невозможно изготовить покрытия со свойствами регулирования излучаемых тепловых потоков и стабилизации температуры объектов.

Указанные выше недостатки ТСП в виде керамических плиток, пленок, красок или эмалей могут быть устранены, если покрытия будут изготовлены в виде слоев, наносимых на металлические или диэлектрические поверхности. Такие покрытия технологичны при нанесении, имеют небольшую толщину (в пределах 100 мкм) с точки зрения веса и стоимости, но достаточную для обеспечения излучательной способности, не имеют в своем составе полимерных связующих, что обеспечивает высокую стойкость к действию излучений и надежность в эксплуатации. Такие слои могут быть нанесены на поверхность несколькими способами: электрохимическим, плазменным, дуговым, термическим и детонационным с использованием энергии ударной волны. Нами выполнены исследования по нанесению покрытий детонационным методом и изучению свойств и радиационной стойкости таких покрытий.

Термостабилизирующие покрытия могут найти широкое применение в различных отраслях промышленности (химической, фармацевтической, легкой, пищевой и др.) , в строительной индустрии для стабилизации температуры технологических процессов.

Our Sponsors and Partners