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摘要随着航天事业的飞速发展，对航天器件的热控技术也提出了新的要求。智能辐射器件（SRD）是一种新型的航天器的热控材料，在航天器的发展中，尤其是微小型航天器的发展中得到了广泛的应用。SRD 通过不使用电子仪器或机械零件而改变其发射率，该 SRD 降低在所施加地方的温度变化，通过在物理上改变其温度从而改变其发射率。但 SRD 的主要缺点是它的高太阳能吸收率，为了尽可能的降低太阳能吸收率，一个新的 SRD 被设计了出来。宽频带滤波器被设计为 SRD，宽频带滤波器的功能是将阳光反射并且发射红外光， 其原理是以 SRD 为基底， Ge Si和 MgF2为膜料的多层薄膜设备。所以宽频带滤波器的 SRD 也称为具有多层膜（SRDM）结构的智能辐射器件，其太阳能吸收率的目标值是0.13 到 0.16。27558
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毕业论文关键词 ： 智能辐射器件；热控材料；多层薄膜；低太阳吸收率
Title Design of low solar absorptance coating forthermochromic film
Abstract The rapid development of aerospace industry brings new challenges to thethermal control technology for spacecrafts. An SRD is a kind of new thermalcontrol material for spacecrafts, which is especially widely applied inmicrospacecraft. SRD changes emissivity by not using electronic devicesor mechanical parts and changing the temperature of the spacecraftphysically. To decrease the high solar absorptance, a new SRD is designed.A wide-band filter is designed as an SRD. The function of a wide-band filterwhich is a device built on the basis of an SRD with multilayers made ofGe, Si and MgF2, is to reflect sunlight and transmit red light. So thisnew SRD is also called intelligent radiation device with SRDM structureand the aim solar absorptance is 0.13 to 0.16。Keywords：Samrt Radiation Device, Thermal control materials,multilayer film, Low Solar absorptance
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本课题的主要研究内容 4
2 单层薄膜结构的设计 5
2.1 基底 SRD 的概述 5
2.2 薄膜的光学常数 6
2.3 具有单层薄膜的 SRD 8
3 多层薄膜结构的设计 9
3.1 多层薄膜结构的配置 9
3.2 多层薄膜结构的设计 10
3.2.1 具有 n（Si/MgF2）结构的多层薄膜的设计 10
3.2.2 具有 n（Si/MgF2）+Ge/MgF2结构的多层薄膜的设计 13
3.2.3 具有 n（Si/MgF2）+m（Ge/MgF2）结构的多层薄膜的设计 15
4 模拟设计的结果分析 22
4.1 吸收率的计算 22
4.2 吸收率的结果分析 24
4.3 具有多层薄膜的 SRD 每层薄膜的厚度 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
1 绪论1.1 研究背景随着航天事业的快速发展，现代航天事业对航天技术提出了更高、更新的要求，尤其是针对微小型航天器的发展。重视其材料的性能和热控技术成为了未来航天器件的研究趋势， 由此决定了未来航天热控技术的研究将围绕微小型航天器的发展方向而进行。微小型航天器热控器件的研究也存在着两方面的问题[1]：一方面是微小热控器件较低的热惯性，另一方面是微小热控器件较高的热流密度，智能辐射热控器件的研究正是在这种背景下诞生的。在热控器件新的要求下，一种新型的智能辐射器件（SRD）出现了。SRD 是一种通过不使用电子仪器或机械零件而改变其发射率的新型的航天器的热控材料， 满足航天热控器件对可变发射率热控器件的要求，但 SRD 的缺点在于它的高太阳能吸收率，在满足可变发射率的情况下，SRD 的太阳能吸收率为0.81。通过在 SRD 表面添加多层的薄膜涂层，可有效的降低其太阳能吸收率，这也是本文主要的研究方向，及通过添加多层薄膜降低智能辐射器件 SRD 的吸收率。 具有多层薄膜的智能辐射器件必将有广阔的应用前景，开展这方面的研究工作，对提高航天热控器件的发展将有重要的推动作用。1.2 研究意义智能辐射器件（SRD）可以根据航天器的温度变化自主改变器件发射率，从而简化了航天热控器件复杂的结构设计， 而添加了多层薄膜涂层结构的智能辐射器件又降低了热控器件的太阳能吸收率。薄膜涂层由于其质量轻，结构稳定，制作简单，所以特别适合微小型航天器的热控器件。与电致变色热控器件和微机电可变发射率热控器件相比，智能辐射器件多层薄膜涂层的热控属于被动热控原理，通过调节自身的温度变化来实现对航天热控器件吸收率和发射率的调节， 故可靠性更高[2]，所以在小型航天器上得到了广泛的应用。由于微小型航天器的热惯性小， 导致微小型航天器的热控器件易受温度波动的影响。而传统的热控技术，比如：热管，热百叶窗，因其质量重，体积大，功耗高，难以满足能量供应有限且成本严格受控的微小型航天器的应用要求。智能辐射器件（SRD）[7]通过不使用电子仪器或机械零件而改变其发射率，降低在所施加地方的温度变化，从而改变热控器件的发射率和吸收率。但SRD 的缺点是它的高太阳能吸收率。为了降低太阳能吸收率，同时保持其发射率的变化，宽频带滤波器被设计为SRD。宽频带滤波器的功能是将阳光反射并且发射红外光。宽频带滤波器的SRD 称为智能辐射器件，其具有多层膜（SRDM）的结构和其太阳能吸收率的目标值是0.13 到 0.16。作为传统热控器件的替代品，发展具有多层薄膜涂层结构的智能辐射热控器件成为了小型航天器热控的关键技术之一[6]， 对未来航天事业的发展有着至关重要的作用。1.3 国内外的研究现状具有多层薄膜涂层结构的智能辐射热控器件可替代传统的热控器件， 多层薄膜的智能辐射热控器件是微小航天器的关健技术之一， 是未来航天器热控的焦点之一，国内外针对热控设备的研究也有很多。如在国内，2005 年吴春华等[2]研究锰酸镧掺杂可变发射率热控器件，并就其研究进展进行了分析。 国内外开展了很多关于锰酸镧掺杂锶和钙的热控器件的研究，有些已经得到了应用。目前针对这一研究，研究成果最为成熟的国家是日本。日本NEC 公司已经研究出了基于这2 种材料的陶瓷贴片式智能型辐射器件。文献上报道的样品厚度为200μm，是通过传统的标准陶瓷加工工艺形成的[14]。2009年李强等[3]采用固相反应法制备了钙钛矿型锰氧化物热致变色材料，机械加工制得了薄层样品，分析了材料组分对样品居里温度和辐射特性的影响。试验结果表明， 热致变色材料的发射率在相转变温度点附近会随温度的变化而突变。2011 年范德松等[6]就热致变色材料辐射特性和光学特性进行了研究。文章中指出钙钛矿型锰氧化物（LAMO）是一种热致变色可变发射率涂层材料，基于金属-绝缘体相变原理。发射率可随外界温度变化自动调节。通过传统固相反应法制备了可变发射率热致变色材料，并对热致变色材料可变发射率性能进行了研究。1998 年 Horikoshi 等[13]从光学常数计算多层膜的热辐射性能，为了设计多层薄膜，需要热控涂层的光学常数的温度依赖性。这些光常数，如折射率 n 和消光系数k，可以利用 0.77 至 100μm随温度依赖的光谱反射率数据的克拉默斯克勒尼希分析算出来也可由椭圆仪在室温下从 0.25μm到 1.0μm测量。用于多层膜材料的光学常数，例如，Si，Ge 和 MgF2（氟化镁），在波长范围从 0.19μm到30μm内通过在光谱椭偏仪测量。这些单层膜在相同的蒸发条件下通过使用电子束（EB）蒸镀法制成。2001年 Shimazaki 等[12]在可变辐射散热器上，研究多层膜的热辐射特性，太阳能吸收率随着层的越来越多而降低。但增加层的数量会使红外线的吸收率增加。这就是为什么在足够降低太阳能吸收率时层的数量必须最小。2002 年Fukuzawa 等[11 ]就层聚酰亚胺膜在温度从 173 到 700K 范围内的太空利用的总半球形发射率进行了研究，在实验和计算中的总半球发射率的不同，是因为其厚度的可控性和每一层的光学常数的不同导致在多层膜上红外线的吸收也不同。 2003年 Shimazaki 等[10 ]就可变辐射设备及其辐射性能测试，光谱选择性多层膜的发展进行了分析。 2009年 Tachikawa 等[7]特研究了太阳能吸收率为0.13 的多层镀膜智能辐射设备。智能辐射器件（SRD）是一种新型的航天器的热控材料。通过不使用电子仪器或机械零件而改变其发射率， 该 SRD 降低在所施加地方的温度变化，该 SRD 改变其发射率在物理上取决于其温度。为了尽可能的降低太阳能吸收率，同时保持变量发射率的性能，SRDM 被设计了出来。在计算中 SRDM2 的太阳能吸收率是0.15。太阳能吸收率从0.81 下降至 0.15，同时保持它的可变发射率的性能。这个 SRDM 将在 2013 年用于射电望远镜卫星“ASTRO-G”的发射。此外，还提出了另一种类型的具有高发射率性能的 SRDM，而不是降低太阳能吸收率。相比于SRD，SRDM 太阳能吸收率从 0.81 下降到 0.50。这 SRDM3将用于不被太阳照射的表面。 在实验和计算中的光学性能的差异是由于厚度的可控性和每一层的光学常数不同，在多层膜是的吸收率不同导致的。1.4 本课题的主要研究内容随着航天技术的发展， 要求新的热控器件可以根据航天器的温度自主改变器件发射率。智能辐射器件（SRD）作为一种新型的航天器的热控材料，通过不使用电子仪器或机械零件而改变其发射率，SRD 降低在所施加地方的温度变化，改变其温度从物理因素上改变发射率。 属于被动调节其发射率的变化， 工作简单可靠，满足现代航天热控器件的要求。 但智能辐射器件的缺点是其具有较高的太阳能吸收率，SRD的吸收率为 0.81。本课题研究的主要内容就是降低智能辐射器件（SRD）在波长范围 0.25 到2.5μm的太阳能吸收率到 0.13 到 0.16 的范围， 采用的研究手段是设计具有多层薄膜结构的智能辐射器件， 以 SRD 为基底， 高折射率的 Si、 Ge 和低折射率的 MgF2三种材料被选定为薄膜涂层的材料。通过模拟计算可以发现，添加高折射率和低折射率的材料可以降低 SRD 的吸收率，单层 Si/MgF2和 Ge/MgF2的 SRD 最小的太阳能吸收率分别是 0.58 和 0.50，比 SRD 的吸收率 0.81 有所降低。所以通过设计多层薄膜结构的智能辐射设备SRD， 可以使其吸收率达到目标值0.13 到 0.16。由于每层薄膜的物理厚度、光学常数以及膜料的排列顺序不同，所以多层薄膜结构的SRD 的吸收率也是不同的。这就是本课题的主要工作，通过不断的设计新的膜层和模拟计算新膜层的吸收率，优化膜层物理厚度，合理排列膜料顺序，使具有多层薄膜的SRD 的吸收率达到目标值0.13 到 0.16。