从环境温度到低温下黑色涂层的发射率：光谱平坦的黑色涂层如何提高空间系统的性能

摘要

采用色度法测定了Acktar Fractal Black的总半球发射率（ε）。用不同厚度的深黑色表面涂层（分别为20、35和45μm）涂覆铝基板，以研究涂层厚度对发射性能的影响，特别是在低温下。还测量了另一种涂层类型——Acktar Diffusive White——的发射率，以表征其低温性能。对于Acktar Fractal Black，有效涂层厚度可以根据其预期温度范围来实现。为了帮助实现这一点，还开发了一个实验型号，说明了涂层在不同温度下的发射率性能。Acktar Diffusive White的测量发射率较低，但与Fractal Black相当。光谱平坦的Ackar Fractal Black5K-300K之间循环，没有任何明显的降解迹象，成功地证明了它的高热稳定性。

引言

空间应用中的材料会受到恶劣的环境条件的影响，如真空、热循环、微流星体粒子、紫外线、质子、电子和电磁辐射、原子氧（ATOX）暴露和复杂的机械条件。正如Collaudin等人的一篇综述所示，低温考虑是当前和过去太空飞行仪器设计和开发的重要组成部分。

热辐射——尤其是发射率——在低温下的热传递中起着至关重要的作用：无论是将热量从低温系统散发出去，还是加强热辐射以大限度地减少热量泄漏到系统中，材料的热辐射特性都非常重要。表面的热设计和功能特性在很大程度上取决于其辐射特性，而辐射特性受到各种因素的影响，如材料成分、温度和表面拓扑结构，这使得依赖数值/分析预测变得非常困难。因此，以准确和可重复的方式通过实验确定低温下的发射率和吸收率至关重要。与经验测量相关的主要挑战是散热器在如此低的温度下发射功率的能力。不同温度下的样品发射率测量可分为两类：热量法和辐射测量法，如Králík等人详细介绍的。

量热法基于散热器和吸收器，其中材料的总半球发射率是根据检测到的热量在它们之间的传递来计算的。这是一种常用且简单的方法，如果另一个零件的辐射特性已知，则样品既可以用作辐射器，也可以用作吸收体。Tuttle等人证明了这一点，他们使用这种量热法来测量在不同温度水平下暴露于热通量的镀金钢管的热吸收率。进行该实验是为了确认机械制冷机能够满足詹姆斯·韦伯望远镜中红外仪器（MIRI）的要求（最小发射率）。相反，辐射测量法是测量辐射特性的一种更复杂的方法。在测量发射/反射辐射时，它需要一个参考黑体进行比较，但它会产生主结果，也可以测量光谱发射率。

黑色涂层已被广泛用于太空应用和超敏感任务，其中需要高发射率表面，因为它们能够最大限度地提高辐射冷却以维持光学传感器的低温并降低热噪声。作为Acktar开发的一种专用深黑色涂层，Fractal black不仅可以最小化从紫外线（UV）、可见光（VIS）到远红外（FIR）的宽带光谱反射率，确保精确的光学测量和降低信噪比，还可以有效控制航天器组件的热辐射。Fractal Black在詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）等星载光学仪器或Bepi Colombo水星任务等太空任务中的应用也支持了这一点。事实上，Fractal Black被欧洲航天局（ESA）选为欧洲材料老化实验中直接暴露在太空环境中的参考材料，作为“国际空间站上连接欧洲哥伦布模块的Bartolomeo‘前廊’”的一部分。

使用色度法测量了平面上各种黑色涂层的发射率，并在20–80 K下与黑色涂层的开口蜂窝表面进行了比较。发现涂层平面的发射率高度依赖于温度。当从环境温度转变为低温温度时，黑色表面涂层的发射型性能会显著降低，尤其是根据维恩位移定律，红外辐射的主波长随着温度的降低而变长。在Adibekyan等人的另一项研究中，研究了四种广泛使用的黑色涂层——Nextel 811-21、Herberts 1534、Aeroglaze Z306和Acktar Fractal black的定向光谱、定向总发射率和半球总发射率。在25°C至150°C的温度范围内，在4μm至100μm的不同波长下进行高精度测量。在本文提出的研究中，Acktar的发射率性能是在低至15 K（-288.15°C）的低温下进行检测的。使用Králík等人开发的色度法测量了Acktar Fractal Black的总半球发射率（ε）。Acktaris开发的深黑色涂层分别涂有20、35和45μm的不同厚度，以研究涂层厚度对发射率性能的影响。

实验

方法和设备

在下文中，对半球总发射率（ε）的测量方法进行了简要解释。关于详细的解释，读者可以参考Králík等人的研究。

所使用的量热法是基于在真空中在两个相互平行且同心的圆盘（约40mm）之间传递的辐射热功率QR[W]的测量，这两个圆盘相隔约0.5mm的间隙。ISI Brno开发的“Emister”仪器的横截面示意图如图1所示。

图1.测量室“Emister”的横截面示意图

检查的样品位于散热器（温度TR）的位置，散热器的温度高于相对圆盘（温度TA的吸收器）的温度。吸收器圆盘用作参考，具有非常高的吸收率和发射率，约为50 K以上TR值的94%。参考圆盘通过热电阻（即热流计（HFM））与液氦（LHe）浴热连接。

将样品和参考盘放置在不锈钢套管内的测量室内，抽真空后将其插入商用宽颈杜瓦容器中。在测量过程中，真空由低温泵被动保持在低于10–7 Pa的水平。对于测量，LakeShore 340型温度控制器与LakeShorre温度传感器一起使用：Cernox CX 1050分别用于测量TA和TB（在HFM底部测量），以及用于测量TR的LakeShorer DT470SD硅二极管。

测量程序和评估

将样品放入测量室后，将仪器冷却至约5K。对于每个测试的样品盘，建立各种设定点，在达到热平衡温度后，测量TR（散热器）、TA（吸收器）和TB（HFM底部）。热流测量为连接吸收器和LHe浴的校准热敏电阻上的温度降。

如前所述，样品的最终发射率可以计算为测量的辐射热功率QR和热功率QB的比值，如方程1所述，这两个黑体具有100%的发射率（吸收率）。其中A表示样本面积，σ分别表示Stefan-Boltzmann常数。

样品设计

所有样品均由量身定制、数控加工的直径为40 mm的铝制6061基板盘组成，该基板盘在测量前进行了涂层处理。Acktar涂层使用专有的真空沉积技术应用于磁盘。使用Fractal Black沉积了三种不同的厚度，以研究涂层厚度对低温下发射性能的影响。此外，为了表征的目的，还将新产品Acktar低透光性白/扩散性白应用于样品。表1和图2分别显示了制备样品的摘要和说明。

图2.带有各种Acktar涂层的测试样品插图。从左上角到右下角，显示了具有Fractal Black涂层（20、30和45µm）的样品，然后是具有Diffusive White涂层（15µm）。中间展示了一个铝合金圆盘的例子。使用相同的金属圆盘作为所有涂层的基底表面。

结果和讨论

如图3所示，获得了总半球发射率（ε）与热辐射TR温度的相关性。实验数据是在选定的温度范围为15 K–300 K的测试样品下提供的。

所有样品的总半球发射率随着温度的升高而逐渐增加，在大多数区间达到60%-90%之间的相对较高的绝对值。对于低于约50K的TR，测量的发射率值随着表面温度的降低而显著下降。这种效应可能有助于涂层在黑体辐射光谱中非常长波长的部分透明性。当比较不同Fractal Black涂层样品在选定温度（TR）下的发射率值时，可以看出，发射率的增加与涂层厚度的增加不是线性的。当进行比较时，每个样品的涂层厚度增加约30%。当将30µm样品与20µm样品进行比较时，发射率的增加在30%-4%的范围内（大的差异是在低温下），而45µm样品和30µm样本之间的发射率差异显示出更窄的间隙。这一发现可用于寻找将要使用的预期温度范围内的涂层的有效厚度。此外，还实现了一个实验型号，以帮助优化找到如图3所示的有效厚度。

图3中Fractal Black和Diffusive White的测量发射率E1。分别由函数（2）和函数（3）经验拟合，其中TR表示样品的温度，a，b，c是拟合系数。

在低温下，与Fractal Black相比，涂有15µm厚Acktar Diffusive White的样品表现出较低的发射值。然而，在室温下，测得的发射率与Fractal Black上的其他测量值相当。

为了与当前测量的数据进行比较，请参见图3。还展示了早些时候通过相同方法测量的类金刚石碳（3.3µm）和Chemglaze Z306涂层（55µm）的发射曲线。类金刚石碳是一类具有高硬度和耐磨性的非晶碳材料，而Chemglaze Z306是一种具有高太阳吸收率和发射率的聚氨基甲酸酯涂层。类金刚石碳沉积在光滑的铜基底上。如图3所示，与测量的Acktar Fractal Black涂层相比，两种替代方案都表现出较低的渗透性值。

图3.半球总发射率与热辐射温度（TR）的关系。这些线表示测量数据的经验拟合（等式2和3）。

结论

采用比色法测定了Acktar Fractal Black的总半球发射率（ε）。在铝合金圆盘基底上分别涂上三种不同厚度的Fractal Black：20、35和45μm，以研究涂层厚度对发射性能的影响，特别是在低温下。

表面（涂层）的反射率限制了样品的吸收/发射。研究发现，涂层厚度的增加与发射率的增加并不线性相关。事实上，数据表明，有效涂层厚度的实现极限取决于预期的温度范围。由于发射率取决于热辐射源的温度（光谱），这也与涂层在低温下的部分透明度有关，在低温下，光谱分布确保较长波长的IR辐射可以更好地穿透涂层到达基底。这是发射率在低于50K时发生显著变化的原因，而对于升高的温度（高于50K），这种剧烈变化会减少。因此，人们可以得出结论，表现出光谱平坦行为的黑涂层，如Ackar Fractal Black，具有很高的兴趣，因为它们提供了在太空应用中至关重要的热稳定性。Ackar Fractal Black的高温稳定性也在现有的测量中得到了成功证明：深黑色涂层经受住了5 K的冷却和300 K的升温，没有任何明显的降解迹象。