VO2智能材料在航天热控制中的应用综述

论文信息：

Emile Haddad, Roman V. Kruzelecky, Piotr Murzionak, Wes Jamroz, Kamel Tagziria, Mohamed Chaker and Boris Ledrogoff. Review of the VO2 smart material applications with emphasis on its use for spacecraft thermal control. Front. Mater. 9: 1013848 (2022).

论文链接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2022.1013848/full

研究背景

二氧化钒(VO2),一种非常具有代表性的智能材料，1959年发现其在68°C时存在从低温单斜石到高温金红石的金属-绝缘体转变(MIT)，在这个转变中， VO 2显示了一个最大的光、热和导电性可逆变化，可以用于许多潜在的应用，例如光学和电气开关、可变衰减器、调制器、光学滤光片、红外辐射热计和航天器的智能热辐射器设备。

航天器热控制，是影响航天有效载荷性能和寿命的关键子系统。外层的航天器覆盖物控制着航天器、入射太阳和地面辐射之间的热平衡，以及对黑暗空间的热发射。航天器的温度控制越严格，航天器系统的性能等级和寿命就越好。

研究内容

作者首先总结了VO2薄膜沉积方法和金属-绝缘体转变(MIT)，然后对VO2的应用进行综述，指出VO2是一种很有前途的可重构和可再编程的有源光学相变材料(PCM) ，可用作超材料和超表面、光学和电气开关等。此外，本文对智能辐射装置原理进行介绍（图1），并论述了VO2被证明是具有许多优点的潜在智能散热器之一。

图1.智能辐射装置的原理

如图2所示，由于热负荷对散热器温度的辐射率影响减少了将有效载荷加热到较低温度的需要。高发射率(0.9)将在散热器达到50°C的极限之前消散高达150 (W/m2)的热负荷。然而，即使在60W/m2的热负荷下，散热器的温度也会低于-10°C，因此需要一个内部加热器来保护有效载荷。一个理想的智能散热器设备(SRD)应该在低温下具有低发射度，在高温下具有高发射度，从而在不同的条件下保持内部有效载荷在中等温度。用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)测量沉积在二氧化硅(石英)以及Al上VO2的反射率，如图3，4所示，可对比得沉积在Al上的VO2具有“反直觉”的效果，即在高温下的高发射率，低温下的低发射率。拉曼光谱和XPS分析(图5)表明，沉积在Al上的VO2在高温下处于金属状态，即使其发射率较低，这可能是由于在Al衬底上沉积VO2时，通过Al和VO2之间的界面形成的反射率造成的。

图2. 发射率对航天器内部温度的影响

图3.用FTIR测量沉积在石英石板上的VO2薄膜反射率

图4.FTIR测得的镀在铝板上的VO2薄膜反射率

图5.高温金属态下(A)Al衬底上沉积的VO2薄膜V3d波段x射线发射光谱(XPS);(B) Al衬底上沉积的VO2薄膜在高温下拉曼位移表现为单斜结构

上述膜层结构在实验上只能达到相对较小到中等的值(Δε≤0.35)，基于提高Δε和高发射率 εH的目的，本文提出了两种方法：第一种方法是在相对较厚(200-300 nm)的 VO 2层中加入额外的膜层(Si:H);第二种方法 (图6)依赖于薄层 VO2(20-70 nm)和厚层 SiO2 (1000-1500 nm)的干涉。

图6.VO2功能简单示意图 (A)对于绝缘体状态的VO2，结构为红外反射器(低发射度);(B)对于金属态的VO2，结构为反射干涉滤波器(高发射率)

本征 VO 2转变发生在68°C左右，但对于SRD应用，转变将发生在室温(15°C-35°C)左右。通过向钒靶中添加2.5%的W来改变转变温度，从而沉积薄的W- VO 2层。 图7和表1总结了掺杂W对 VO 2的影响，在掺杂2.5%时，转变温度为30℃，这是不损失部分可调性的最佳W掺杂百分比。

图7.不同W掺杂(0%-3.5%)下SRD发射率随温度的变化

表1. W掺杂程度对VO2发射度以及转变温度的影响

表2.不同样品测得的太阳吸收率

为寻找具有良好可调性、可接受的太阳反射和抗恶劣空间环境的SRD的最佳解决方案,本文列出三种类型的SRD 模型:（1）Al/ SiO 2/ VO 2-W 2.5%;随着制造和相对成本的增加，层数和复杂性的增加。试图保持较低的生产成本(在测试中称为标准)；(2)在铝基板上增加一层，以增加Al/ CaF2/ SiO 2/ VO 2-W 2.5%(测试中称为 CaF2)的可调性；(3)添加Si- SiO 2层作为过滤层和保护层Al/ SiO 2/ VO 2-W2.5%/ SiO 2/Si-H(试验中称为Si- SiO 2)。这三种类型的样品可用于试验，特别是用于测定真空热平衡中SRD发射率随温度变化的试验以及测量总功率和温度。

对样品进行热冲击和热真空循环(TVAC)测试， 表3总结了在真空中进行的四次试验，从测量的温度和总功率计算SRD的发射率，在测试2、测试3和测试4中，使用了三种不同的SRD，每种类型的一种标准，带有 CaF2或 Si- SiO 2顶层。在测试4中，顶部和底部使用相同的发射率来提高测量精度。 图8说明了测试3和测试4中测试的五个样本的分布情况； 图9给出了在测试4中三个温度高原期间从热平衡中获得的五个样品的发射率值，并将它们与IR反射率给出的发射率进行了比较。

表3.四次TVAC测试的比较

图8.(A)测试3中DTVAC内部附着的5个样品图片(B)测试4中5个双面SRD样品图片

图9.在高原(稳态功率平衡)获得的五个样品的发射率

图10显示了用于优化发射率响应估计的瞬态响应数据。在稳态平台期，模型温度与实验温度之间的差异最小(低于3℃)，而冷却时间的差异最大。表4给出了Test4中所有五个样品在冷却期间的平均温差(模型温度和实验温度)。这表明除CaF2外，所有样品的模拟模型都具有良好的相关性。

图10.试验4中SRD瞬态分析的冷却和加热曲线

表4.由发射率计算温度的平均温度误差

结论与展望

本文基于VO2特性综述了其在航天器热控制中的应用，首先总结了VO2薄膜沉积方法，并列出了其最近提出的应用。然后介绍了VO2作为一种智能散热器的发展特点和应用，以及近年来的研究进展。在热功率平衡的基础上，测量了低温、高温以及真空转变过程中发射率的实验结果。这些测量结果与用黑体反射光谱加权的红外反射率(2-30µm)的平均值进行了比较。此外，本文尝试多层的替代方案，以增加发射率的可调性，增加设备尺寸，使其更容易在空间表面应用，同时降低成本。

以下为广告部分

招聘信息| 山东高等技术研究院吴小虎课题组招收科研助理和博士后

点击下图查看详细招聘信息！

点/击/上/图/查/看/详/细/招/聘/信/息

热辐射与微纳光子学

Founded by

吴小虎

山东高等技术研究院教授

个人主页：www.xiaohuwu.com