Технология получения тонких защитных покрытий солнечных батарей для космической техники Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

каторов помола цемента, при этом у измельченных цементов наблюдается увеличение удельной поверхности и увеличение содержания тонкой фракции по сравнению с исходным измельченным цементом. Введенные при измельчении соли сохранили свойства ускорителей схватывания цемента и не ухудшили прочностные характеристики цементного камня.

УДК 66.047

1 11 2

A.C. Липатьев , Е.Х. Мамаджанова , B.C. Рыженков , П.А. Вятлев ,

B.К. Сысоев2, В Н. Сигаев1

1. Центр оптического стекла Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Международная лаборатория функциональных материалов на основе стекла Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия

2. Федеральное государственное унитарное предприятие «НПО им. С. А. Лавочкина», Химки, Московская обл., Россия

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Experimental method for production radiation-resistant glass K-208 film with thickness of 80 microns to 0.5 mm or more, used as a protective coating of solar cells of spacecrafts, was developed. The obtained glass film is significantly thinner than industrial analogues and can considerably reduce the mass of products.

Разработана опытная технология ленты из радиационно-стойкого стекла К-208 толщиной от 80 мкм до 0,5 мм и более, применяемой в качестве защитного покрытия солнечных батарей космических аппаратов. Полученная стеклолента значительно тоньше промышленных аналогов и позволяет существенно снизить массу изделий.

Функционирование современных насыщенных оборудованием космических аппаратов требует значительных энергетических ресурсов, которые пополняются главным образом от фотоэлектрических преобразователей - солнечных батарей. Поскольку удельная мощность современных солнечных батарей составляет 300-400 Вт/м2, то для обеспечения электроэнергией крупного космического аппарата площади солнечных батарей должны составлять десятки квадратных метров (рис. 1).

Главную опасность для солнечных батарей в космосе представляют космическая радиация и метеорная пыль, вызывающие эрозию поверхности кремниевых элементов и ограничивающие срок службы батарей. Поэтому их защищают оптически прозрачными покрытиями [ 1 ].

В зарубежных солнечных батареях используются пластины, изготовленные из четырех типов стекла - СМХ, CMZ, CMG и СМО, разработанных фирмой «QioptiQ» (Великобритания) [2]. В России используют радиацион-но-стойкое стекло марки К-208, состав которого приведен в таблице. В стекле К-208 применяется протектор СеСЬ. Церий легко изменяет валентность в

стекле, оба его иона Се 3 и Се 4 имеют широкие полосы поглощения с максимумами около 314 и 240 нм соответственно. Толщина защитных пластин стекла колеблется от 170 до 500 мкм [3].

Рис. 1. Солнечные батареи МКС

Совершенствование конструкций солнечных батарей требует снижения их массы, что можно достичь, используя более тонкие стеклянные покрытия (менее 170 мкм). Снижение толщины защитного покрытия даже на 10-20 мкм приведёт к ощутимому снижению массы солнечной батареи. Основной проблемой применения тонких пластин стекла является их недостаточная механическая прочность. Необходимость высоких значений прочности стекол обусловлена тем, что защитные покрытия должны выдерживать операции сборки и транспортировки, и к тому же несут конструкционные нагрузки. Простым, но недостаточно эффективным методом упрочнения пластин стекла является метод низкотемпературного ионного обмена [4, 5], позволяющий увеличить механическую прочность на 20-40%. Значительно более перспективен метод изготовления пластин с помощью термораскалывания с использованием лазерного излучения [6, 7]. Лазерная резка стекла позволяет получать существенно более качественные грани пластин, по сравнению с резкой стекла алмазом, что значительно увеличивает их прочность [7]. Пластины стекла, раскроенные с использованием лазера, не требуют дополнительных операций для их упрочнения.

Состав стекла К-208 в мол.%.

Компонент Si02 К20 Na20 В203 А1203 Се02 Сверх 100%

Мол. % 69,49 4,25 10,33 11,93 4,00 2,00

Для получения ленты высокого качества толщиной от 200 до 80 мкм нами введена в эксплуатацию установка (рис. 2), в которой предусмотрено прецизионное регулирование температуры и других технологических пара-

метров (скорость вытяжки, скорость охлаждения, минимизация температурных градиентов по ширине ленты и пр.).

Для вытяжки ленты использовали блоки стекла оптического качества, полированные с двух сторон. Высокие требования к качеству исходного стекла обоснованы тем, что стеклолента «наследует» все дефекты, имеющиеся в заготовке. Наличие неоднородностей в стеклоленте приводит к возникновению напряжений и резкому снижению прочности. Фильера для вытяжки стеклоленты изготовлена из жаропрочной нержавеющей стали. Качество полировки фильеры определяло качество поверхности стеклоленты, так как дефекты фильеры приводили к бороздам на поверхности стеклоленты. Нами изготовлены пластины из стекла марки К-208 толщиной от 80 до 200 мкм. Пластины толщиной 150-170 мкм получали вытягиванием стекломассы при температуре 940-920°С через фильеру с шириной щели 4,5 мм со скоростью вытяжки 23 - 28 мм/с в зависимости от температуры в печи. Увеличение скорости вытяжки до 38 мм/с позволяло вытягивать непрерывную ленту толщиной 80 мкм.

Рис. 2. Фотографии установки вытяжки стеклоленты. 1 - электрическая печь с устройством формования, 2 - система управления печью и валками, 3 -валки

Стеклоленту отжигали в электрической камерной печи. Резку стеклоленты на квадраты со стороной 40 мм проводили двумя способами: на от-

резном станке алмазным стеклорезом и с помощью лазерного излучения. Метод управляемого лазерного термораскалывания (УЛТ) заключается в том, что под действием лазерного излучения, в стекле создается зона локального нагрева и как следствие возникает поле растягивающих термонапряжений. Если в это поле попадет дефект на поверхности стекла, то в его вершине происходит концентрация напряжений и если их значение превышает предел прочности, то данный дефект развивается в трещину, которая следует за лазерным лучом при перемещении его по поверхности обрабатываемой детали. Для создания более высокого температурного градиента, можно использовать хладагент, подаваемый вслед движущемуся по поверхности стекла лазерному лучу (рис.3).

луч лазера

Рис. 3. Схема процесса управляемого лазерного термораскалывания

Разработанная технология позволяет получать пластины стекла толщиной 80 - 500 мкм. Высокая прочность пластин стекла обеспечена использованием лазерной резки стекла. Полученные защитные покрытия для солнечных батарей космических аппаратов обладают более высокими эксплуатационными параметрами по сравнению с используемыми в настоящее вре-

Библиографические ссылки

1. Фернисс, Т. История завоевания космоса / Т. Фернис. М.: Эксмо, 2007. 272 с.

2. Price М. Solar Cell Coverglasses for Satellites in the Intermediate Earth Orbit / M. Price, C. Kitchin, H. Eaves, R. Crabb, P. Buia - 5th European Space Power Conference Proceedings, Tarragona, Spain: 21-25 September 1998.

3. Летин, В.А. Защитные покрытия солнечных батарей космических аппаратов с большим ресурсом / В.А. Летин, Л.С. Гаценко, Т.А. Агеева, В.Ф. Суркова.// Автономная энергетика: технический прогресс и экономика, 2008-2009. № 24-25. С. 3-13.

4. Бутаев, A.M. Прочность стекла, ионообменное упрочнение / A.M. Бута-ев./ ДГУ; Махачкала: Изд-во ДГУ, 1997. 133 с.

5. Эрнсбергер, Ф.М. Прочность и упрочнение стекла. / Ф.М. Эрнсбергер. М.: Мир, 1969. 340 с.

6. Вятлев, П.А. Высокопрецизионные лазерные технологии изготовления элементов ракетно-космической техники / П.А. Вятлев, В.К. Сысоев. Актуальные проблемы космической техники: Тезисы XXXI конференции. М., 2008. С. 33.

7. Вятлев, П.А. Методика обеспечения оптимального режима управляемого лазерного термораскалывания стекол / П.А. Вятлев. Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности: Труды пятой международной конференции. С.-Пб., 2008. Т.12. С. 167-168.

УДК 666.265.1

Е.Х. Мамаджанова1, Н.В. Голубев1, Г.Е. Малашкевич2, В.Н. Сигаев1

Международная лаборатория функциональных материалов на основе стекла Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева Москва, Россия 2Институт физики им Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси, Минск, Республика Беларусь

ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИЕ ХАНТИТОПОДОБНЫЕ СТЕКЛА, АКТИВИРОВАННЫЕ ИОНАМИ САМАРИЯ

In the present work the possibility of huntite-like glass synthesis in У2Оз-А12Оз-В2Оз systems with partial substitution of Y for Sm has been studied, and transparent glasses of compositions 12.5(SmxY1.x)203-37.5Al203-50B203 (x= 0,3-5) were obtained. It was found that the quantum yield of Sm3+ ions in glasses and crystals differ only slightly, indicating a low concentration quenching of luminescence in the resulting glasses.

Исследована возможность получения стекол в У2Оз-А12Оз-В2Оз системе состава хантитоподобного кристалла YAl;,(BO;,) i с частичным замещением Y -> Sm. Получены прозрачные стекла расчетных составов 12.5(8тхУ1_х)2Оз-37.5А12Оз-50В2Оз (х= 0,3-5). Показано, что квантовый выход ионов Sm3+ в стеклах и кристаллах различается незначительно, что свидетельствует о низком концентрационном тушении люминесценции в полученных стек-