Opt. Express: 透明航天器智能热辐射涂层

论文信息：Kaihua Zhang, Qingqing Hu, Biyuan Wu, Kun Yu, Yufang Liu, and Xiaohu Wu, Lithography-free transparent spacecraft smart radiation device based on phase change material VO2, Optics Express 32, 35243-35255 (2024).

https://doi.org/10.1364/OE.532801

研究背景

航天器在极端空间环境下运行时，会遭遇剧烈的温度波动，这对其内部设备的稳定运行提出了严峻的挑战。现有的热控系统，如传统的热辐射调节器，虽然能够调节温度，但往往存在以下问题：结构复杂、调节范围有限、寿命短、依赖外部电源等。此外，许多现有的材料和设备无法兼顾红外辐射的调节与可见光的高透明性，这对太阳能电池等设备的集成带来了不便。VO2材料作为一种具有热致相变特性的材料，在68°C时可从绝缘态转变为金属态，实现对热辐射的动态调节。然而，VO2材料单独使用时，其在绝缘态下对红外光的透明性限制了在高效热辐射调节中的应用，难以满足航天器对宽温度范围内高效调节的需求。因此，如何设计出能够在不同温度条件下实现高效辐射调节、同时保持高可见光透透明的设备，成为当前研究中的关键问题。

研究亮点

针对这些现有问题，我们提出了一种基于VO2和ZnO/Ag/ZnO (D/M/D)的透明智能辐射设备（TSRD），通过巧妙的结构设计解决了现有设备中难以兼顾红外调控与可见光透明的问题。D/M/D结构与VO2层相结合，不仅提高了可见光的透射率、实现VO2辐射特性的反转，还通过形成Fabry-Perot共振腔来增强辐射调节性能并。通过调整VO2和BaF2层的厚度，研究了这些参数对多层结构性能的影响，并通过传输矩阵方法（TMM）计算了器件性能参数。

图1 (a) TSRD装置示意图; (b) D/M/D结构的红外反射率和可见光透射率随d3、d4变化; (c) TSRD装置在不同温度下红外发射率随d1、d2变化； (d) TSRD装置在不同温度下太阳吸收随d1、d2变化

图2 TSRD装置最佳参数下的性能

结果表明，所设计的透明智能辐射设备（TSRD）具备高达0.631的红外辐射调节能力，能够在不同温度条件下有效调节热辐射。此外，该设备的太阳吸收率低至0.219，显著减少热负荷，提升整体能效。同时，其可见光透射率高达0.7，确保在提高热调节能力的同时不影响可见光的透过，这对于太阳能应用至关重要。设备还能根据外部环境温度变化自适应调节发射能力，展现出良好的动态响应性能。

图4 入射角对 TSRD 性能的影响

此外，还研究了辐射入射角度对TSRD器件性能的影响。说明该透明智能辐射设备对入射角的变化具有较好的稳定性。具体而言可见光透射率在0°至70°的广泛角度范围内始终保持在0.5以上，表明设备对入射角变化的敏感性较低。同时，太阳光吸收率在整个角度范围内均保持在0.24以下，这进一步确认了设备在不同入射角条件下仍能维持低吸收性能。此外，红外辐射发射能力在入射角小于60°时稳定在0.45以上，展示了良好的动态调节能力。综上所述，该设备在多种工作条件下的可靠性和适应性，使其在航天器热控等应用中具备较强的优势。