薄层热致变色材料辐射特性研究(2)
目前，对于航天器的热控制来说，一般采用被动热控措施为主，主动热控措施为辅的热控方案[2]。被动热控制技术是一种无源控制，即依靠合理的总体布局和选择设计参数，正确地组织与控制星体内、外的热交换过程来达到热控制的目的。被动热控部分除了布局上的合理安排之外，主要通过包括热控涂层、多层隔热组件等各种不同热控材料的使用，最大限度地减少航天器和周围宇宙空间不可调节的热交换，来实现航天器的温度平衡。被动热控制技术是航天器热控的主要手段之一，而各种热控材料是重要的实现途径，在各类航天器上得到广泛的应[3]。
随着航天科技的发展，航天器件减轻重量、降低能耗和成本的要求，以及微小型卫星的发展，都对热控分系统提高主动控制能力提出更高的要求，采用新型智能热控材料研制主动热控器件成为航天科技领域的一项重要课题[4]。可变发射率热控器件是一种薄膜器件，可以根据外界温度的变化主动改变自身的发射率，克服了传统的热管和机械式热控百叶窗体积大、功耗高等热控技术的局限性，可以实现对航天器的温度控制，从而大大简化航天器复杂的热设计。可变发射率的热控器件技术包括电致变、静电辐射致变、微机电致变、热致变等[5]，相比较于其它几种辐射特性变化方法，热致变方法具有简单、可靠、不需外加能量与动力和良好的自适应反馈调节等优点，因此，在热控制领域更具应用前景[6]。热致变色可变发射率热控涂层主要使用电化学技术改变涂层表面的发射率，其主要包括电泳、电镀、热喷涂等几种手段[7]。热致变色可变发射率热控器件选用的基础材料是钙钛矿型介电陶瓷材料LSMO。由于该材料的温度从173 K～375 K变化时，材料有金属—绝缘体的相变发生，在低温时，有较低的发射率，在高温时，有较高的发射率，导致其红外发射特性发生很大变化，利用这种相变特性可以制备红外发射率随温度自主变化的智能型热控涂层。当航天器表面的温度较低时，热控材料的发射率较低，向外空间辐射的热量较少，当航天器表面的温度较高时，热控材料的发射率也较高，当温度高于相转变温度时，热控材料由金属态向绝缘态转变，发射率也以较大幅度增大，向外辐射的热量也陡然增多。这样，智能型热控器件就可以根据航天器的温度水平，自主地调节自身的发射率，控制航天器与空间环境的热交换，实现对航天器温度的负反馈控制。掺杂锶和钙的锰酸镧，可以根据温度改变自身发射率，这就决定了这两种材料都有作为航天器智能型热控器件的良好前景，目前国际上正在开展基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。
1．2 热致变色可变发射率功能材料简介
热致变色材料（Thermochromic materials）是指在一定温度范围内其颜色随温度的改变而发生明显变化的功能材料[8]。热致变色现象是由于变色材料的光谱性质发生可逆性变化，严格地说只局限于可见光范围内的变化[9]。热致变色功能材料选用的基础材料是钙钛矿锰氧化物材料。钙钛矿锰氧化物的一般表达式为RMnO3(其中，R代表三价稀土元素，如La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Ho、Tb、Y 等，通常称为A位)。当A位掺杂Sr、Ca、Ba、Pb 等二价碱土金属元素（表示为R1-xAxMnO3）时，由于二价离子的引入，产生了Mn4+离子，Mn3+和Mn4+之间通过氧位交换电子的双交换作用，导致材料的晶格结构发生畸变，当在合适的掺杂浓度条件下，钙钛矿锰氧化物材料在居里温度Tc附近发生铁磁金属态—顺磁绝缘态（ferromagnetic metallic-paramagnetic insulator）的转变，呈现独特的光学、电学以及磁学特性[10-11]。研究表明，在低于相转变温度TP时，材料呈现低发射率铁磁金属特征，当高于相转变温度TP时，呈现高发射率顺磁绝缘状态。下面就钙钛矿锰氧化物材料的晶体结构和相关特性展开论述。
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