eng
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.368.374
В работе представлены результаты исследований свойств светопоглощающих покрытий на основе никель-фосфорного сплава. Проведен анализ спектральных характеристик отражения на разных этапах их изготовления. Установлена причина сверхпоглощения сплава NiP и описана возможность его применения в качестве материала, подавляющего рассеянный световой фон внутри оптического тракта оптоэлектронных устройств, например, в блендах звездных датчиков системы ориентации космических аппаратов.
В работе представлены результаты исследований свойств светопоглощающих покрытий на основе никель-фосфорного сплава. Проведен анализ спектральных характеристик отражения на разных этапах их изготовления. Установлена причина сверхпоглощения сплава NiP и описана возможность его применения в качестве материала, подавляющего рассеянный световой фон внутри оптического тракта оптоэлектронных устройств, например, в блендах звездных датчиков системы ориентации космических аппаратов.
Теги: light-absorbing coatings nip alloy super-absorption сверхпоглощение. светопоглощающие покрытия сплав nip
Сверхпоглощающие свойства никель-фосфорного сплава
Д. В. Марусев
АО «Научно-исследовательский институт микроприборов-К», Москва, Россия
В работе представлены результаты исследований свойств светопоглощающих покрытий на основе никель-фосфорного сплава. Проведен анализ спектральных характеристик отражения на разных этапах их изготовления. Установлена причина сверхпоглощения сплава NiP и описана возможность его применения в качестве материала, подавляющего рассеянный световой фон внутри оптического тракта оптоэлектронных устройств, например в блендах звездных датчиков системы ориентации космических аппаратов.
Статья получена: 25.03.2020
Принята к публикации: 10.05.2020
Введение
Совершенствование оптических информационных систем, применяемых на борту космических аппаратов (КА), актуально в современной аэрокосмической отрасли. Одной из причин, снижающей качество изображения, является рассеянный световой фон в оптическом тракте оптоэлектронных устройств. Для его подавления перед входным зрачком оптической системы устанавливается бленда с расположенными внутри нее диафрагмами [1]. Дополнительным способом подавления рассеянного излучения является чернение внутренней поверхности бленды – нанесение специальных покрытий с функцией поглощения света. При этом, чем выше их показатели поглощения, тем меньше массогабаритные характеристики аппаратуры. Использование светопоглощающих покрытий позволяет улучшить отношение сигнал / шум оптоэлектронных приемников и соответственно функцию передачи модуляции оптических информационных систем, работающих в полихромном или гиперспектральном режимах.
На данный момент существует большой выбор светопоглощающих покрытий, отличающихся друг от друга типом механизма поглощения излучения, технологией изготовления, стойкостью к внешне воздействующим факторам (ВВФ), стоимостью и т. д. Критерием, характеризующим поглощающую способность покрытий, является коэффициент диффузного отражения электромагнитного излучения от их поверхности. Чем он ниже, тем эффективнее происходит поглощение света.
Наиболее распространенным светопоглощающим материалом являются черные матовые эмали. На протяжении длительного времени они применялись для подавления рассеянного излучения в оптических устройствах КА, но недостаточно низкие показатели отражения электромагнитного излучения от их поверхности (коэффициент диффузного отражения ≈ 5%) и чувствительность их оптико-физических свойств к ВВФ вынуждают искать альтернативные технологии чернения.
Одним из таких способов является нанесение никель-фосфорного сплава. Специальная обработка в растворе кислот (травление) химически или гальванически осажденных пленок NiP создает развитую морфологию поверхности в виде множества конусообразных воронок, которая обеспечивает сверхнизкие показатели отражения электромагнитного излучения от их поверхности в диапазоне длин волн от УФ до ближнего ИК (БИК) [2, 3]. В дополнении к этому повышенная стойкость никель-фосфорных покрытий к ВВФ позволяет применять их для подавления рассеянного излучения в оптических информационных системах КА. К тому же, в отличие от эмалей, они обладают высокими электропроводными свойствами, что исключает возможность накопления статического заряда на конструкционных элементах оптических устройств. Уникальность свойств светопоглощающих покрытий на основе никель-фосфорного сплава вызывает интерес в их дальнейшем изучении.
В работе представлены результаты исследований спектральных характеристик отражения сплава NiP на разных этапах изготовления светопоглощающих покрытий, их стойкости к различным дестабилизирующим факторам и возможности применения в качестве материала, подавляющего рассеянный световой фон внутри оптического тракта оптоэлектронных устройств КА.
Объект исследований
Исследование светопоглощающих никель-фосфорных покрытий проводилось на тестовых образцах круглой формы, диаметром 30 мм и толщиной 1 мм, из стали 35, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, дюрали АМг6, титана ВТ1-0 и инвара 36Н.
Технология изготовления светопоглощающих покрытий, полученных гальваническим способом, состоит из трех этапов, представленных на рис. 1.
Процесс осаждения осуществлялся из электролита, содержащего гипофосфит натрия, сернокислый никель и борную кислоту. Травление проходило в водных растворах азотной кислоты и серной кислоты с азотнокислым натрием. Предварительная химическая обработка – стандартная операция для подготовки поверхности перед гальваническим осаждением никелевых пленок.
Способы исследований
Исследования поглощающих свойств никель-фосфорного сплава осуществлялось с помощью измерения его спектральных коэффициентов полного и диффузного отражений на спектрофотометре Lambda 1050 с Приставкой 150 мм Интегрирующая сфера.
Изучение морфологии поверхности светопоглощающих никель-фосфорных покрытий производилось с использованием двухлучевого растрового электронно-ионного микроскопа FEI Helios 650 Nanolab.
Статистический анализ значений входных диаметров воронок светопоглощающих покрытий проводился с помощью программного расчета их средних значений диаметров Фере по изображениям развитой морфологии поверхности, полученным с помощью электронного микроскопа.
Результаты исследований
Гальванические никель-фосфорные пленки (после 2-го этапа техпроцесса) внешне блестящие из-за их высокой отражательной способности. Свойства сверхпоглощения электромагнитного излучения они приобретают после травления в кислородосодержащих кислотах (3-й этап техпроцесса). Это связано с тем, что в результате травления происходит формирование развитой морфологии поверхности в виде множества конических углублений разных размеров, которые являются эффективными световыми ловушками. Многократное отражение электромагнитного излучения внутри воронок делает покрытия оптически черными. Внешний вид морфологии поверхности светопоглощающего никель-фосфорного сплава представлен на рис. 2.
Оптические свойства сплава NiP (спектральные коэффициенты полного и диффузного отражений) на разных этапах изготовления светопоглощающих покрытий представлены на рис. 3. Развитая морфология поверхности позволяет снизить спектральный коэффициент полного отражения покрытий 2-го этапа техпроцесса в среднем от 70% (кривая 1, рис. 3) до десятых долей процента (кривая 3, рис. 3). Она также меняет характер отражения. Электромагнитное излучение диффузно рассеивается от поверхности светопоглощающего покрытия. Его спектральные характеристики полного и диффузного отражений практически одинаковые (кривые 3 и 4, рис. 3), в отличие от пленок после 2-го этапа техпроцесса, которые обладают коэффициентом зеркального отражения в среднем 60%.
Размеры воронок светопоглощающих покрытий влияют на эффективность поглощения электромагнитного излучения в разных спектральных диапазонах длин волн. Управление технологическими режимами 2-го этапа техпроцесса – состав электролита, значение рН и величина плотности тока при осаждении сплава, а также 3-го этапа – концентрация кислотных растворов, время и температура травления − позволяет оптимизировать их поглощающую способность для конкретных задач наблюдения. На рис. 4 приведены статистические распределения значений входных диаметров световых ловушек покрытий для разных типов спектральных характеристик отражения, которые представлены на рис. 5.
Покрытия с распределением диаметров воронок, соответствующих распределению Гаусса (рис. 4b), обладают значениями коэффициента полного отражения практически независимыми от длины волны (кривая 2, рис. 5).
Светопоглощающие никель-фосфорные покрытия устойчивы к различным типам ВВФ. Об этом свидетельствуют результаты испытаний в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304-98 для группы аппаратуры 5.3, которые приближенно моделируют их нахождение в составе аппаратуры КА: механические нагрузки, солнечное и радиационное излучение, пониженное атмосферное давление, повышенная и пониженная температуры среды, а также ее цикличное изменение. По результатам испытаний значения коэффициента диффузного отражения остались без изменений.
Характеристики светопоглощающих никель-фосфорных покрытий остаются без изменений вне зависимости от типа, площади и конфигурации подложки, на которую они наносятся. На рис. 6 представлены конструкционные детали различной формы площадями до 100 и 1 000 см2.
Никель-фосфорным сплавом возможно чернить конструкционные детали оптического тракта оптоэлектронных устройств, изготовленных из различных видов, стали, сплавов алюминия, титана и инвара. На рис. 7 приведено изображение образцов бленд со светопоглощающим никель-фосфорным покрытием звездных датчиков системы ориентации КА.
Выводы
Сверхпоглощающие свойства никель-фосфорного сплава образуются из-за наличия на его поверхности развитой морфологии в виде множества конических воронок, которые определяют диффузный характер отражения электромагнитного излучения.
Технологическое управление значениями входных диаметров воронок развитой морфологии поверхности светопоглощающих покрытий позволяет воздействовать на их спектральные характеристики отражения электромагнитного излучения.
Стойкость светопоглощающих никель-фосфорных покрытий к ВВФ позволяет применять их для эксплуатации в условиях космического пространства.
Технология изготовления светопоглощающих никель-фосфорных покрытий позволяет наносить их на конструкционные детали оптического тракта из разных типов материалов, различной конфигурации площадью до 1 000 см2 и более.
Выражаем благодарность за помощь в проведении исследований С. Н. Хаханову и сотрудникам ООО «Системы для микроскопии и анализа», г. Москва, Инновационный центр «Сколково».
Литература
Панов В.А., Кругер М. Я., Кулагин В. В. и др. Справочник конструктора опитко-механических приборов / Под общ. ред. д-ра техн. наук В. А. Панова. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение. 1980; 352–356.
Panov V. A., Kruger M.YA., Kulagin V. V. i dr. Spravochnik konstruktora opitko-mekhanicheskih priborov / Pod obshch. red. d-ra tekhn. nauk V. A. Panova. – L.: Mashinostroenie. Leningr. Otdelenie. 1980; 352–356.
Kodama S., Horiuchi M., Kunii T., Kuroda K. Ultra-Black Nickel-Phosphorous Alloy Optical Absorber. IEEE Trans. Instrum. Meas. 1990; 39: 230–232.
Brown R. J. C., Brewer P. J., Milton M. J. T. The physical and chemical properties of electroless nickel-phosphorus alloys and low reflectance nickel-phosphorus black surfaces. J. Mater. Chem. 2002;12:2749–2754.
АВТОР
Д. В. Марусев, инженер, АО «Научно-исследовательский институт микроприборов-К», marusev.niimpk@gmail.com, Москва, Россия.
ORCID ID: 0000-0003-0325-2003
Д. В. Марусев
АО «Научно-исследовательский институт микроприборов-К», Москва, Россия
В работе представлены результаты исследований свойств светопоглощающих покрытий на основе никель-фосфорного сплава. Проведен анализ спектральных характеристик отражения на разных этапах их изготовления. Установлена причина сверхпоглощения сплава NiP и описана возможность его применения в качестве материала, подавляющего рассеянный световой фон внутри оптического тракта оптоэлектронных устройств, например в блендах звездных датчиков системы ориентации космических аппаратов.
Статья получена: 25.03.2020
Принята к публикации: 10.05.2020
Введение
Совершенствование оптических информационных систем, применяемых на борту космических аппаратов (КА), актуально в современной аэрокосмической отрасли. Одной из причин, снижающей качество изображения, является рассеянный световой фон в оптическом тракте оптоэлектронных устройств. Для его подавления перед входным зрачком оптической системы устанавливается бленда с расположенными внутри нее диафрагмами [1]. Дополнительным способом подавления рассеянного излучения является чернение внутренней поверхности бленды – нанесение специальных покрытий с функцией поглощения света. При этом, чем выше их показатели поглощения, тем меньше массогабаритные характеристики аппаратуры. Использование светопоглощающих покрытий позволяет улучшить отношение сигнал / шум оптоэлектронных приемников и соответственно функцию передачи модуляции оптических информационных систем, работающих в полихромном или гиперспектральном режимах.
На данный момент существует большой выбор светопоглощающих покрытий, отличающихся друг от друга типом механизма поглощения излучения, технологией изготовления, стойкостью к внешне воздействующим факторам (ВВФ), стоимостью и т. д. Критерием, характеризующим поглощающую способность покрытий, является коэффициент диффузного отражения электромагнитного излучения от их поверхности. Чем он ниже, тем эффективнее происходит поглощение света.
Наиболее распространенным светопоглощающим материалом являются черные матовые эмали. На протяжении длительного времени они применялись для подавления рассеянного излучения в оптических устройствах КА, но недостаточно низкие показатели отражения электромагнитного излучения от их поверхности (коэффициент диффузного отражения ≈ 5%) и чувствительность их оптико-физических свойств к ВВФ вынуждают искать альтернативные технологии чернения.
Одним из таких способов является нанесение никель-фосфорного сплава. Специальная обработка в растворе кислот (травление) химически или гальванически осажденных пленок NiP создает развитую морфологию поверхности в виде множества конусообразных воронок, которая обеспечивает сверхнизкие показатели отражения электромагнитного излучения от их поверхности в диапазоне длин волн от УФ до ближнего ИК (БИК) [2, 3]. В дополнении к этому повышенная стойкость никель-фосфорных покрытий к ВВФ позволяет применять их для подавления рассеянного излучения в оптических информационных системах КА. К тому же, в отличие от эмалей, они обладают высокими электропроводными свойствами, что исключает возможность накопления статического заряда на конструкционных элементах оптических устройств. Уникальность свойств светопоглощающих покрытий на основе никель-фосфорного сплава вызывает интерес в их дальнейшем изучении.
В работе представлены результаты исследований спектральных характеристик отражения сплава NiP на разных этапах изготовления светопоглощающих покрытий, их стойкости к различным дестабилизирующим факторам и возможности применения в качестве материала, подавляющего рассеянный световой фон внутри оптического тракта оптоэлектронных устройств КА.
Объект исследований
Исследование светопоглощающих никель-фосфорных покрытий проводилось на тестовых образцах круглой формы, диаметром 30 мм и толщиной 1 мм, из стали 35, нержавеющей стали 12Х18Н10Т, дюрали АМг6, титана ВТ1-0 и инвара 36Н.
Технология изготовления светопоглощающих покрытий, полученных гальваническим способом, состоит из трех этапов, представленных на рис. 1.
Процесс осаждения осуществлялся из электролита, содержащего гипофосфит натрия, сернокислый никель и борную кислоту. Травление проходило в водных растворах азотной кислоты и серной кислоты с азотнокислым натрием. Предварительная химическая обработка – стандартная операция для подготовки поверхности перед гальваническим осаждением никелевых пленок.
Способы исследований
Исследования поглощающих свойств никель-фосфорного сплава осуществлялось с помощью измерения его спектральных коэффициентов полного и диффузного отражений на спектрофотометре Lambda 1050 с Приставкой 150 мм Интегрирующая сфера.
Изучение морфологии поверхности светопоглощающих никель-фосфорных покрытий производилось с использованием двухлучевого растрового электронно-ионного микроскопа FEI Helios 650 Nanolab.
Статистический анализ значений входных диаметров воронок светопоглощающих покрытий проводился с помощью программного расчета их средних значений диаметров Фере по изображениям развитой морфологии поверхности, полученным с помощью электронного микроскопа.
Результаты исследований
Гальванические никель-фосфорные пленки (после 2-го этапа техпроцесса) внешне блестящие из-за их высокой отражательной способности. Свойства сверхпоглощения электромагнитного излучения они приобретают после травления в кислородосодержащих кислотах (3-й этап техпроцесса). Это связано с тем, что в результате травления происходит формирование развитой морфологии поверхности в виде множества конических углублений разных размеров, которые являются эффективными световыми ловушками. Многократное отражение электромагнитного излучения внутри воронок делает покрытия оптически черными. Внешний вид морфологии поверхности светопоглощающего никель-фосфорного сплава представлен на рис. 2.
Оптические свойства сплава NiP (спектральные коэффициенты полного и диффузного отражений) на разных этапах изготовления светопоглощающих покрытий представлены на рис. 3. Развитая морфология поверхности позволяет снизить спектральный коэффициент полного отражения покрытий 2-го этапа техпроцесса в среднем от 70% (кривая 1, рис. 3) до десятых долей процента (кривая 3, рис. 3). Она также меняет характер отражения. Электромагнитное излучение диффузно рассеивается от поверхности светопоглощающего покрытия. Его спектральные характеристики полного и диффузного отражений практически одинаковые (кривые 3 и 4, рис. 3), в отличие от пленок после 2-го этапа техпроцесса, которые обладают коэффициентом зеркального отражения в среднем 60%.
Размеры воронок светопоглощающих покрытий влияют на эффективность поглощения электромагнитного излучения в разных спектральных диапазонах длин волн. Управление технологическими режимами 2-го этапа техпроцесса – состав электролита, значение рН и величина плотности тока при осаждении сплава, а также 3-го этапа – концентрация кислотных растворов, время и температура травления − позволяет оптимизировать их поглощающую способность для конкретных задач наблюдения. На рис. 4 приведены статистические распределения значений входных диаметров световых ловушек покрытий для разных типов спектральных характеристик отражения, которые представлены на рис. 5.
Покрытия с распределением диаметров воронок, соответствующих распределению Гаусса (рис. 4b), обладают значениями коэффициента полного отражения практически независимыми от длины волны (кривая 2, рис. 5).
Светопоглощающие никель-фосфорные покрытия устойчивы к различным типам ВВФ. Об этом свидетельствуют результаты испытаний в соответствии с ГОСТ РВ 20.39.304-98 для группы аппаратуры 5.3, которые приближенно моделируют их нахождение в составе аппаратуры КА: механические нагрузки, солнечное и радиационное излучение, пониженное атмосферное давление, повышенная и пониженная температуры среды, а также ее цикличное изменение. По результатам испытаний значения коэффициента диффузного отражения остались без изменений.
Характеристики светопоглощающих никель-фосфорных покрытий остаются без изменений вне зависимости от типа, площади и конфигурации подложки, на которую они наносятся. На рис. 6 представлены конструкционные детали различной формы площадями до 100 и 1 000 см2.
Никель-фосфорным сплавом возможно чернить конструкционные детали оптического тракта оптоэлектронных устройств, изготовленных из различных видов, стали, сплавов алюминия, титана и инвара. На рис. 7 приведено изображение образцов бленд со светопоглощающим никель-фосфорным покрытием звездных датчиков системы ориентации КА.
Выводы
Сверхпоглощающие свойства никель-фосфорного сплава образуются из-за наличия на его поверхности развитой морфологии в виде множества конических воронок, которые определяют диффузный характер отражения электромагнитного излучения.
Технологическое управление значениями входных диаметров воронок развитой морфологии поверхности светопоглощающих покрытий позволяет воздействовать на их спектральные характеристики отражения электромагнитного излучения.
Стойкость светопоглощающих никель-фосфорных покрытий к ВВФ позволяет применять их для эксплуатации в условиях космического пространства.
Технология изготовления светопоглощающих никель-фосфорных покрытий позволяет наносить их на конструкционные детали оптического тракта из разных типов материалов, различной конфигурации площадью до 1 000 см2 и более.
Выражаем благодарность за помощь в проведении исследований С. Н. Хаханову и сотрудникам ООО «Системы для микроскопии и анализа», г. Москва, Инновационный центр «Сколково».
Литература
Панов В.А., Кругер М. Я., Кулагин В. В. и др. Справочник конструктора опитко-механических приборов / Под общ. ред. д-ра техн. наук В. А. Панова. – Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение. 1980; 352–356.
Panov V. A., Kruger M.YA., Kulagin V. V. i dr. Spravochnik konstruktora opitko-mekhanicheskih priborov / Pod obshch. red. d-ra tekhn. nauk V. A. Panova. – L.: Mashinostroenie. Leningr. Otdelenie. 1980; 352–356.
Kodama S., Horiuchi M., Kunii T., Kuroda K. Ultra-Black Nickel-Phosphorous Alloy Optical Absorber. IEEE Trans. Instrum. Meas. 1990; 39: 230–232.
Brown R. J. C., Brewer P. J., Milton M. J. T. The physical and chemical properties of electroless nickel-phosphorus alloys and low reflectance nickel-phosphorus black surfaces. J. Mater. Chem. 2002;12:2749–2754.
АВТОР
Д. В. Марусев, инженер, АО «Научно-исследовательский институт микроприборов-К», marusev.niimpk@gmail.com, Москва, Россия.
ORCID ID: 0000-0003-0325-2003
Отзывы читателей
