当前,常用传统的航天器热控技术主要有机械式百叶窗、电致变色热控器件以及热致变色器件等。然而,微小型航天器的极速发展对热控技术的要求逐渐变得严苛[1]。由于微小型航天器具有质量、体积、热惯性都比较小的特点,并且还要在比较小的工作范围内聚集许多的电子元件,因而导致了微小型航天器极易受温度影响[2]。然而传统的热控器件,例如:热控百叶窗,由于其具有体积、耗能、质量都比较大的特点,因此难以应用在微小型航天器上面,所以研究能够实现自动控制且能够满足要求的热控器件逐渐变成航天热控方面的一个很有意义的研究课题。在新型的热控器件中,热致变色热控器件具有可以根据外部环境温度改变而改变热控器件本身发射率的优点[3],因而具有体积小、质量小、可靠性高、无机械动作装置等一系列特点,可以使航天器的温度能够达到自动控制的目标,而且能够简化微小型航天器内部的复杂设计,因而热致变色可变发射率热控器件的发展前景十分广阔。
钙钛矿型锰氧化物La1-xAxMnO3薄膜(A为Ca或Sr)是一种具有广阔发展前景的热控材料。随着温度上升,该氧化物会发生铁磁金属态-顺磁绝缘态的转变,即当温度未达到相转变温度TM1时,该氧化物会呈现低发射率的金属态,而当温度达到相转变温度TM1后,该氧化物会呈现高发射率的绝缘态。基于该相变原理,发射率可以实现随外界温度改变而实现自动调整[4-5]。因此,钙钛矿型锰氧化物作为热控材料具有广阔的发展空间。
早在1999年,Tachikawa等人研究La1-xAxMnO3时就发现该化合物的发射率随着温度的升高而逐渐变大,并且其发射率在相转变温度位置会发生强烈变化。Tang等人通过固相反应法也制备了可变发射率热致变色材料[6]。目前,该材料在智能型热控方面的应用方式一般是薄片、涂层以及薄膜。而且对块体材料的探索也已经取得了许多进展,而且块体材料的辐射特性也大体上能够满足微小型航天器热交换方面的要求,但是块体材料却有许多缺点,如比较脆、强度低、太厚、密度大、热应力较大等,因此难以实现微小型航天器轻量化的条件,这基本使块体材料应用于微小型航天器变为不现实。与之相反,涂层和薄膜却有着解决这些问题的优点,如容易粘附、密度低、抗热冲击等,能很好的实现微小型航天器轻量化的条件。所以,揭示热致变色涂层以及薄膜随温度变化发射率的改变规律,对制备出能够满足航天要求的热控组件是非常重要的。
本文中使用固相反应法制备靶材,再经过磁控溅射的方法在单晶硅基片上沉积La0。7Ca0。25K0。05MnO3薄膜,控制溅射时间进而控制所获得的薄膜厚度,对比不同溅射时间的(3h,4。5h,6h)的La0。7Ca0。25K0。05MnO3薄膜的发射率曲线图,分析薄膜发射率随厚度的变化规律。使用傅里叶红外光谱仪测量La0。7Ca0。25K0。05MnO3薄膜于173K-373K区间内的反射率,然后使用积分公式计算出各温度的发射率,探索反射率及发射率随着温度改变而产生的变化规律,并对薄膜的相转变温度、发射率变化范围以及热辐射特性进行研究。
2 样品的制备技术
本章将简单介绍块状样品的制备方法及薄膜样品的制备方法,并简单分析各种方法的优缺点,选择合适的方法制备热致变色薄膜。
2。1 块状样品的制备方法
块状样品的获取方式有很多,就当前来说,最常用的包括固相反应法、溶胶-凝胶法。本节将简单介绍这两种热致变色块状样品的制备方式,并简单指出了每种方式优缺点。