钙钛矿型智能热控器件的制备与辐射性能研究

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随着航天器小型化、轻量化的发展,其内部电子元件高度集成,容易形成局部高温。传统的热控百叶窗器件由于体积大、耗能大、质量大等原因不适合用于小型卫星。由此提出了热辐射表面的应用,而常见的热辐射表面存在着无法根据设备温度和外部热流的变化来自动调节热辐射特性的缺陷,因此不能满足卫星自主热控制的要求。基于钙钛矿锰氧化物制备的可变发射率智能热控器件能够根据外界环境温度的变化来改变自身热辐射性能,实现主动智能热控的作用,在航天器应用上具有很大的发展前景。本文以(La,Ca,K)Mn O3钙钛矿型锰氧化物为基础通过固相反应法制备出智能热控器件,研究其晶体结构、微观形貌,探索影响热辐射性能的因素,改善辐射性能,测试其环境稳定性,对提高卫星热控技术有着重要的应用意义。论文主要研究内容如下:(1)钙钛矿型锰氧化物的制备与表征本文以氧化镧、碳酸钙,碳酸钾和二氧化锰为原料,通过固相反应法制备了一系列La0.7Ca1-xKxMn O3(x=0、0.05、0.10、0.15、0.20)热致变色热控器件,同时优化生产制备工艺。使用XRD、SEM和XPS研究了材料取样的微观形貌、物相结构和成分组成。结果表明,所制备的热控器件结晶良好,没有杂相存在,均呈现单一的钙钛矿结构,K离子的掺杂使主衍射峰发生分裂,钙钛矿结构发生畸变。(2)可变发射率热控器件的热辐射特性研究以热控器件为研究对象,在真空中不同温度下测试其光谱反射率并分析计算出发射率和太阳辐射率。研究反射率、发射率和太阳吸收率与不同元素组成、不同掺杂浓度之间的关系,并设法降低热控器件的太阳吸收率。同时研究了磁场对热控器件辐射特性的影响,并利用红外热成像技术展示器件的温控能力。结果表明,热控器件的太阳吸收率较高,但可以通过镀膜的方法将其从0.81降低到0.20。在173K~373K的温度范围内,K离子的掺杂使热控器件的高低温发射率都变大,发射率可调性降低,相变温度升高。K=0.20时,相变温度在280K,处于室温范围,满足实际应用要求。外加磁场实验发现热控器件的辐射性能基本不受磁场影响。红外热成像展示了材料良好的温控能力。(3)热控器件的环境实验利用实验室条件,对热控器件进行环境实验研究,如真空挥发性,静电防护性和热循环性,探索其在空间环境中工作时的稳定可靠性。实验结果表明,热控器件的真空放气性为0.00225%,优于应用期望值;面电阻在40Ω左右,有一定的防静电能力,但所镀膜层起到的绝缘的作用,使器件丧失了防静电能力;热控器件在极端条件(-196℃~100℃,变温时间10s)下发生破裂,放缓变温条件(-20℃~100℃,12h)可以保持完整性,具有一定热适应能力。
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