一種空間等離子體探測器表面的石墨塗層及其製備方法

2023-05-25 03:06:21 2

一種空間等離子體探測器表面的石墨塗層及其製備方法
【專利摘要】本發明提供一種空間等離子體探測器表面的石墨塗層及其製備方法，其中用於噴塗所述石墨塗層的材料為環氧基石墨塗料，製備的石墨塗層厚度為D≥d，d＝EQt，E＝1.3×10-30m3/atom，Qt＝T×Q，T為等離子體探測器在軌壽命，Q為等離子體探測器單位時間單位面積接收的氧原子個數。本發明石墨塗層充分考慮等離子體探測器的在軌壽命、使用環境等因素，使得本發明設計的石墨塗層能夠保證探測器在軌工作的穩定性。
【專利說明】—種空間等離子體探測器表面的石墨塗層及其製備方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於空間等離子體探測【技術領域】，具體涉及一種空間等離子體探測器表面的石墨塗層及其製備方法。

【背景技術】
[0002]等離子體是帶電粒子和中性粒子組成的表現出集體行為的一種準中性氣體，是物質的第四態，宇宙中99%物質處於等離子體態。地球外部六十公裡至幾千公裡處是由太陽輻射、粒子輻射引起地球大氣電離產生的低溫等離子體區，稱為電離層。空間電離層對衛星通信產生重要影響，還會對衛星表面產生充電效應。對空間電離層等離子體的研究，對於空間天氣預報、無線電通訊、地震研究等具有重要意義。
[0003]電子密度、電子溫度、離子密度、離子溫度、電離度、懸浮電位等是等離子體的基本參數，需要藉助等離子體分析儀、朗繆爾探針、電場探測儀等設備對其進行研究分析，如何保證此類設備測量的準確性是保證正確分析等離子體的前提。尤其是在對空間等離子體進行探測研究時，探測器的探頭需要裸露在外太空對等離子體進行探測，由於其特殊的軌道環境，探頭外表面要耐受原子氧的轟擊，太陽輻照會引起探測表面產生光電子流發射，從而影響對等離子體懸浮電位的測量，另外某些等離子體探測器的探頭(如電場探測儀)還內置電路，需要保證探測器的探頭始終處在合適的工作溫度範圍。為此，對空間等離子體探測器探頭表面進行必要處理，對於保證探測器在軌正常工作和性能目標實現具有重要意義。


【發明內容】

[0004]有鑑於此，本發明的目的是為保證等離子體探測器在軌正常工作，保證其工作性能，提出一種空間等離子體探測器表面的石墨塗層及其製備方法。
[0005]實現本發明的技術方案如下:
[0006]一種空間等離子體探測器表面的石墨塗層，其中用於噴塗所述石墨塗層的材料為環氧基石墨塗料，製備完成的石墨塗層厚度為DSd;
[0007]d = EQt
[0008]式中，E= 1.3 X lCT3Clm3/atom,
[0009]Qt = TXQ
[0010]式中，T為等離子體探測器在軌壽命，Q為等離子體探測器單位時間單位面積接收的氧原子個數。
[0011]進一步地，本發明所述環氧基石墨塗料，型號為DAG-213。
[0012]一種空間等離子體探測器表面石墨塗層的製備方法，具體過程為:
[0013]S01，根據等離子體探測器在軌壽命T計算在軌期間接收的原子氧通量Qt，
[0014]Qt = TXQ
[0015]式中，Q為等離子體探測器單位時間單位面積接收的氧原子個數；
[0016]根據所述原子氧通量Qt計算石墨塗層的最小厚度d = EQt, E=L 3X 10_3V/atom ；
[0017]考慮噴塗方法獲得塗層的不均性δ及後續機械加工對石墨塗層的去除量σ，確定噴塗固化後的石墨塗層厚度D'彡d+δ + σ ；
[0018]S02，噴塗時將環氧基石墨塗料的粘度控制在塗-4粘度計測定的20s左右，控制噴塗時的出料量使單層噴塗的厚度控制在5-7 μ m，採用多次噴塗工藝使噴塗固化後的塗層厚度D';其中在兩次噴塗之間進行約10分鐘的空氣乾燥；
[0019]S03，利用精銑工藝對平面結構表面的石墨塗層進行機械加工，利用精車工藝對曲面結構表面的石墨塗層進行機械加工，去除塗層中的不均勻部分，保證塗層的厚度至少等於d，實現石墨塗層的製備。
[0020]有益效果
[0021]第一、本發明石墨塗層的厚度設計充分考慮探測器的在軌壽命、使用環境等因素，使得本發明設計的石墨塗層能夠保證等離子體探測器在軌工作的穩定性。
[0022]第二、本發明石墨塗層在完成噴塗固化工藝後，採用精車、精銑工藝對其進行機械加工，可提高塗層厚度的均勻性，提高塗層表面光潔度，提高表面功函數的均勻性，優化太陽吸收率與半球輻射率比值。

【具體實施方式】
[0023]下面列舉實施對本發明進行詳細說明。
[0024]本發明一種空間等離子體探測器表面的石墨塗層，其中用於噴塗所述石墨塗層的材料為環氧基石墨塗料，較佳選用型號為DAG-213的環氧基石墨塗料，石墨塗層厚度為D^d；
[0025]d = EQt
[0026]式中，E = L 3X l(T3V/atom，為碳的原子氧剝蝕率，Qt為衛星在軌壽命期等離子體探測器表面接收的原子氧總通量；
[0027]Qt = TXQ
[0028]式中，T為等離子體探測器在軌壽命，Q為等離子體探測器單位時間單位面積接收的氧原子個數。
[0029]本發明石墨塗層的厚度設計充分考慮探測器的在軌壽命、使用環境等因素，使得本發明設計的石墨塗層能夠保證探測器在軌工作的穩定性。同時採用石墨塗層具有如下好處:(1)石墨具有密度小、高比強、高比模、高熱導、熱膨脹係數小的特點，化學性質穩定，具有很好的空間環境適應性；(2)石墨具有良好的導電性能，可保證塗層與探測器基體之間良好的電連接；(3)石墨塗層表面功函數均勻一致性好，可以減少由於接觸電勢差及由於太陽輻照引起光電子流發射不一致引起的對等離子體耦合的測量誤差；(4)石墨耐空間原子氧轟擊侵蝕，材料不會變性，不會改變傳感器表面性能；(5)對於地球軌道衛星，石墨塗層可為等離子體探測探頭表面提供合適的太陽吸收係數與半球輻射係數比，通過被動溫控，使等離子體探測器處在一個適合的工作溫度範圍。
[0030]本發明一種空間等離子體探測器表面石墨塗層的製備方法，具體過程為:
[0031]S01，根據等離子體探測器在軌壽命T計算在軌期間接收的原子氧通量Qt，
[0032]Qt = TXQ
[0033]式中，Q為等離子體探測器單位時間單位面積接收的氧原子個數；
[0034]根據所述原子氧通量Qt計算石墨塗層的最小厚度d = EQt，E= 1.3X10_3V/atom ；
[0035]考慮噴塗方法獲得塗層的不均性δ及後續機械加工對石墨塗層的去除量σ，確定噴塗固化後的石墨塗層厚度D'彡d+δ + σ ；
[0036]S02，噴塗時將環氧基石墨塗料的粘度控制在塗-4粘度計測定的20s左右，控制噴塗時的出料量使單層噴塗的厚度控制在5-7 μ m，採用多次噴塗工藝使噴塗固化完成後塗層的厚度為D';其中在兩次噴塗之間進行約10分鐘的空氣乾燥，以便讓溶劑充分揮發，防止塗層間夾氣、在塗料固化過程中塗層起泡等現象的發生，以保證塗層的足夠附著強度；同時通過控制塗料粘度、噴塗時的出料量及噴塗速度等工藝參數保證塗層均勻性。
[0037]S03,利用精銑工藝對平面結構表面塗層進行機械加工，利用精銑工藝對曲面結構表面塗層進行機械加工，去除塗層中的不均勻部分，並保證塗層的厚度至少等於d，實現石墨塗層的製備；將塗層厚度的不均勻性從數十微米提高到幾個微米，表面粗糙度從0.8提聞到優於0.2。
[0038]通過在等離子體探測器探頭表面製備石墨塗層，使石墨塗層直接與等離子體耦合，用以提高探測器表面功函數的均勻性、抗原子氧腐蝕及實現被動溫度控制目的。環氧基石墨塗料中石墨質量百分比在5%?10在等尚子體探測器表面形成的石墨塗層厚度在幾十微米。根據等離子體探測設備在軌壽命期間所接收的原子氧數量計算塗層厚度，並在設計厚度基礎上預留一定的機械加工量，通過後續的精車、精銑方法對塗層進行加工，提高塗層厚度的均勻性，提高塗層表面光潔度，提高表面功函數的均勻性，優化太陽吸收比與半球輻射率比值。
[0039]以球形雙探針空間電場探測儀為例，介紹其球形傳感器表面塗層的設計。
[0040]空間電場探測儀主要由球形傳感器和信號處理單元組成，主要包括球形外殼、短杆、內殼、套筒、絕緣組件、接口組件、內置電路等組成。電場探測儀的測量原理是通過兩個相距一定距離的球形傳感器浸入等離子體中，球形傳感器與等離子體耦合併感應一定的相對電動勢，兩個球形傳感器的耦合電勢之差除以兩者之間距離即可獲得兩個傳感器連線方向上的電場信號。球形傳感器是電場探測儀與等離子體耦合的關鍵部件，其與等離子體耦合的電勢不僅與等離子體自身參數相關，而且還與球形傳感器表面功函數的分布情況(影響傳感器表面在太陽光輻照情況下的光電子流發射)相關。球形傳感器外殼組件採用鋁、鈦合金等材料組成，球體裸露在空間中，受原子氧腐蝕，表面會產生氧化層從而會影響球體表面功函數，進而影響球形傳感器與等離子體的耦合電勢。另外，球形傳感器內部有電路，為了保證電路正常工作，必須保證傳感器處在一個合適的溫度範圍內。本發明在球形傳感器表面塗覆一層環氧基石墨材料，可以有效解決上述問題。
[0041]如果衛星軌道高度500km，在軌壽命為五年，為了保證在五年壽命期內電場探測儀球形傳感器表面的石墨塗層能夠耐受原子氧的侵蝕，塗層厚度要足夠。
[0042]球形傳感器單位時間單位面積接收的原子氧個數為:
[0043]Q=PV= 1X1013X8X103 = 8X 1016atom/m2.s (I)
[0044]式⑴中，P = 1父1013/1113，5001011軌道高度原子氧密度，￥ = 8\103111/8，為衛星在軌速度。按照5年的衛星壽命，則在此期間球形傳感器表面單位面積接收的總原子氧通量:
[0045]Qt = 5 X 365 X 24X 3600 X 8 X 116 = 1.26 X 1025atom/m2 (2)
[0046]原子氧對石墨塗層的剝蝕深度可以用下列公式計算:
[0047]d = EQt (3)
[0048]式⑶中，E = L 3X 10_3°m3/atom，為碳的原子氧剝蝕率。從而可以計算在五年的規定器壽命內，原子氧對電場探測儀球形傳感器表面石墨塗層的剝蝕深度約為16.4 μ m。如果適當考慮欲量，則對於500km軌道高度運行的衛星，電場探測儀球形傳感器表面塗層厚度需要達到30 μ m。
[0049]一次噴塗成形的電場探測儀球形傳感器表面環氧基石墨塗層後不均勻性約± 10 μ m，為了實現對傳感器表面塗層精車後的厚度仍然滿足至少30 μ m的要求，需要將傳感器表面的塗層厚度至少控制在40?60 μ m，這樣通過精車工藝將傳感器表面塗層整體去除10?30μπι，仍可以保證傳感器加工後的塗層厚度滿足設計要求。
[0050]電場探測儀球形傳感器表面製備環氧基石墨塗層並進行精車加工後，塗層厚度均勻性可以控制在幾個微米，可以保證傳感器的球度及對稱性，有利於減少電場測量誤差。同時，傳感器表面塗層的太陽吸收比與半球發射率比值相比從加工前的1.22降低到1.16，對球形結構探測器表面其在太陽輻照下的表面平衡溫度從加工前的55°C降低52°C。傳感器表面塗層的表面功函數不均性的標準偏差從加工前的SmeV降低到7.7meV，說明機械加工對表面功函數的分布均勻性沒有破壞，甚至有所改善，相比鋁合金基底材料表面功函數分布38meV的標準偏差值更是具有明顯改善，這將有助於提高雙探針空間電場探測儀探頭在太陽輻照情況下表面光電子流發射的一致性，提高對於空間等離子體電場測量的準確性。
【權利要求】
1.一種空間等離子體探測器表面的石墨塗層，其特徵在於，用於噴塗所述石墨塗層的材料為環氧基石墨塗料，石墨塗層厚度為DSd;
d = EQt
式中，E = 1.3 X lCT30m3/atom ； Qt = TXQ 式中，T為等離子體探測器在軌壽命，Q為等離子體探測器單位時間單位面積接收的氧原子個數。
2.一種如權利要求1所述空間等離子體探測器表面的石墨塗層的製備方法，其特徵在於，具體過程為: S01，根據等離子體探測器在軌壽命T計算在軌期間接收的原子氧通量Qt， Qt = TXQ 式中，Q為等離子體探測器單位時間單位面積接收的氧原子個數； 根據所述原子氧通量Qt計算製備石墨塗層的最小厚度d = EQt, E = L 3X 1-3V/atom ； 考慮噴塗方法獲得塗層的不均性S及後續機械加工對石墨塗層的去除量σ，確定噴塗固化後的石墨塗層厚度D'彡d+δ + σ ； S02,噴塗時將環氧基石墨塗料的粘度控制在塗-4粘度計測定的20s左右，控制噴塗時的出料量使單層噴塗的厚度控制在5?7 μ m，採用多次噴塗工藝使噴塗固化後的塗層厚度為Di ;其中在兩次噴塗之間進行約10分鐘的空氣乾燥； S03，利用精銑工藝對平面結構表面的石墨塗層進行機械加工，利用精車工藝對曲面結構表面的石墨塗層進行機械加工，去除塗層中的不均勻部分，保證塗層的厚度不小於d，實現石墨塗層的製備。
【文檔編號】B05D3/12GK104289407SQ201410447555
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】王佐磊, 馬勉軍, 吳先明, 蔣釗, 陳燾, 張宇, 歐陽新豔 申請人:蘭州空間技術物理研究所