Композит для защиты от космического воздействия, способ его получения

Композит для защиты от космического воздействия, способ его получения

Реферат

Изобретение относится к области космического материаловедения и может применяться в качестве терморегулирующих покрытий на внешней стороне космического аппарата (КА) в области низких земных орбит.

Известны полимерные защитные материалы от воздействия космического излучения. Каждый вид защитного материала, наряду с преимуществами, имеет и существенные недостатки.

Известен материал [RU № 2275704. МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОСМИЧЕСКОЙ РАДИАЦИИ], состоящий из следующих компонентов, мас.%:

Кремнийорганический полимер 8,2-37,1

Порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды 60,7-92,0

Структурирующий агент 0,2-0,5

Технологический структурирующий агент 0,2-0,5

Вулканизирующий агент в виде диэтилдикаприлата олова или

катализатор в виде раствора аминосилана в эфирах

ортокремниевой кислоты 0,9-1,

Его недостатком является высокая плотность (4660-7450 кг/м³), а также невысокая стойкость к потоку атомарного кислорода в околоземном пространстве.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является материал, устойчивый к воздействию атомарного кислорода в космических условиях [Вернигоров К.Б. Исследование устойчивости гибридных композиций эпоксидное связующее - силоксан к воздействию атомарного кислорода при лабораторной имитации полета в ионосфере. / К.Б.Вернигоров, А.А.Чугунова, А.Ю.Алентьев и др. // Труды 2-й Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для космической техники»: сб. научн. тр., Москва, 17-19 мая 2011 / МИЭМ. - Москва, 2011. - С.88-91], состоящий из эпоксидного связующего, содержащего в своем составе 10-50% полидиметилсилоксана.

Недостатком данного материала является техническая сложность его синтеза методом химической модификации полимера, основанного на внедрении в структуру полимерных цепей различных силоксансодержащих фрагментов, а также невысокая стойкость к воздействию ВУФ-излучения.

Известен способ получения композита [JP № 2007270056. METAL OXIDE PARTICULATE-CONTAINING POLISILOXANE COMPOSITION AND METOD FOR PRODUCING SAME] путем смешивания частиц оксидов металлов и многофункционального полисилоксана в органическом растворителе с дальнейшим отверждением композита.

Его недостатком является неоднородность и долгое время синтеза композита в связи с необходимостью отверждения композиции.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков, принятым за прототип, является способ [KR № 20050022036. POLYMER CAPSULES CONTAINING AN ULTRAVIOLET ABSORBER, HAVING IMPROVED STABILITY IN COSMETIC FORMULATIONS WITHOUT LOSS OF ULTRAVIOLET BLOCKING EFFECT AND PREPARATION METHOD THEREOF, AND COSMETICS CONTAINING THE SAME], он включает в себя этапы: (1) растворение полимера в растворителе; (2) диспергирование ультрафиолетового поглотителя в раствор полимера, (3) эмульгирование ультрафиолетового поглотителя в раствор полимера в присутствии дисперсии стабилизирующего агента для подготовки эмульсии; и (4) удаление растворителя из эмульсии и восстановления мягких капсул полимера. Его недостатком является невысокая плотность упаковки получаемых частиц в виде капсул, что не позволяет их использовать в космическом пространстве.

Целью изобретения является повышение защиты от вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ), набегающего потока атомарного кислорода (АК), а также увеличение температурного диапазона применения композита.

Поставленная цель достигается тем, что заявленный композит для защиты от космического воздействия содержит в качестве составляющих компонентов ударопрочный полистирол (матрица) и силоксановый наполнитель (ксерогель метилполисилоксана) размером до 1 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ударопрочный полистирол	38-46
Силоксановый наполнитель	54-62

Использование в качестве матрицы ударопрочного полистирола марки УПС-0803Э (ГОСТ 28250-89) обусловлено его высокой радиационной стойкостью, а также низким газовыделением при космическом воздействии.

Силоксановый наполнитель (ксерогель метилполисилоксана) представляет собой высокодисперсный гидрофобный порошок белого цвета, полученный по золь-гель методу с плотностью 1100-1200 кг/м³.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый состав композита для защиты от космического воздействия отличается от известного введением нового компонента, а именно ударопрочного полистирола. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

Количественное содержание компонентов предлагаемого и известного композита приведено в табл.1.

Характеристики композита для защиты от космического воздействия представлены в табл.2.

Модуль продольной упругости Е (модуль Юнга) композитов рассчитывали по скорости распространения ультразвука в композите. Измерение скорости ультразвуковых колебаний в композитах проводили эхо-импульсным методом.

Таблица 1
Составы материалов
Компонент	Содержание, мас.%
Предлагаемый композит	Известный композит (прототип)
1	2	3	4	5
Ударопрочный полистирол	38	40	42	44	46	Нет
Силоксановый наполнитель	62	60	58	56	54	50
Эпоксидное связующее	нет	нет	нет	нет	нет	50

Плотность композитов ρ измеряли методом гидростатического взвешивания. Устойчивость к воздействию АК оценивали по массовому коэффициенту эрозии R_m, равному соотношению удельной потери массы к флюенсу АК (г/атом О). Облучение проводилось при энергии атомов кислорода 20 эВ, флюенсе атомов Ф~7,18·10²⁰ ат/см². Использование ударопрочного полистирола в виде матрицы позволяет создавать композиты, максимально наполненные силоксановым наполнителем, который является одним из основных компонентов для защиты АК. Атомы Si⁴⁺, образующиеся при термоокислительной деструкции метилполисилоксана, взаимодействуют с атомарным кислородом, в композите образуется оксид кремния, из которого формируется защитная пленка, препятствующая диффузии атомов кислорода к поверхности композита.

Испытания на стойкость к воздействию ВУФ-излучения проводили по ГОСТ Р 25645.338-96 «Материалы полимерные для космической техники. Требования к испытаниям на стойкость к воздействию вакуумного ультрафиолетового излучения». Стойкость к воздействию ВУФ-излучения оценивали по изменению интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения α при длине волны от 0,2 до 2,5 мкм при интенсивности излучения 0,5 Вт/м² и длине волны ВУФ-излучения 115 нм. Использование ударопрочного полистирола позволило создавать композиты, обладающие максимальной белизной. Сам ударопрочный полистирол - прозрачный материал, а силоксановый наполнитель является фотоактивным компонентом, эффективно рассеивающим видимый свет, придавая тем самым композиту белизну, что защищает композит от фотодеструкции в космосе.

Верхнюю и нижнюю границы температуры эксплуатации композита Т_экс определяли по максимальной температуре, при которой происходит уменьшение прочностных свойств композита в 2 раза (без механических нагрузок).

Таблица 2
Свойства композита для защиты от космического воздействия
Показатель	Предлагаемый композит	Известный композит (прототип)
1	2	3	4	5	6
Плотность ρ, кг/м3	1161	1159	1157	1153	1147	1170
Модуль продольной упругости E, ·104 МПа	0,323	0,398	0,417	0,434	0,450	0,345
Массовый коэффициент эрозии Rm, 10-24 г/атом O	0,46	0,39	0,38	0,41	0,45	0,48
Отношение коэффициентов поглощения солнечного излучения αнач/αкон	0,16/0,18	0,16/0,18	0,15/0,17	0,16/0,19	0,17/0,2	0,21/0,25
Нижний предел эксплуатации, °С	-130	-130	-129	-128	-125	-70
Верхний предел эксплуатации, °С	170	168	166	158	150	160

Анализ прототипа показал, что композит, содержащий в качестве матрицы эпоксидное связующее, не обладает высокими защитными свойствами от космического воздействия, какими обладает композит для защиты от космического воздействия на основе компонентов, представленных в заявляемом решении (табл.2), а именно на 28,6% и 32% понижается интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения соответственно до и после воздействия ВУФ-излучения. Кроме того, на 20,8% понижается массовый коэффициент эрозии АК и на 85,7% увеличивается нижний предел эксплуатации заявленного композита по сравнению с прототипом. Таким образом, заявляемый состав компонентов придает композиту новые, более высокие показатели защиты от космического воздействия, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «существенные отличия».

Заявленный способ получения композита состоит из синтеза силоксанового наполнителя (ксерогель метилполисилоксана), растворения ударопрочного полистирола в толуоле, его смешения с порошкообразным наполнителем путем ультразвуковой кавитации при частоте 22 кГц, удаления растворителя и прессования получившейся порошкообразной смеси и отличается тем, что для удаления растворителя полученный раствор нагревают до температуры 115°С и выдерживают в течение 30 мин, после полного удаления растворителя образовавшуюся сухую смесь нагревают до температуры 170°С и выдерживают в течение 20 мин, затем производят прессование композитов методом твердофазного компактирования под высоким удельным давлением 200 МПа.

Благодаря технологии прессования композитов методом твердофазного компактирования под высоким удельным давлением 200 МПа происходит реакция поликонденсации, и за счет топохимического взаимодействия ударопрочного полистирола и силоксанового наполнителя происходит образование нового типа соединения силоксановый наполнитель-ударопрочный полистирол.

Силоксановый наполнитель получают по золь-гель технологии из распространенного в химической промышленности водорастворимого метилсиликоната натрия - RSi(OH)₂ONa, где R=СН₃, при рН 4. Структурная формула силоксанового наполнителя имеет вид:

Осажденный силоксановый наполнитель (ксерогель метилполисилоксана) отделяют от раствора, декантируют водой от щелочи, высушивают в вакууме при 100°С в течение 3 часов и диспергируют в мельнице до размера частиц 0,1-1 мкм. Готовый наполнитель представляет собой высокодисперсный гидрофобный порошок белого цвета с плотностью 1100-1200 кг/м³ [Черкашина Н.И. Создание высокодисперсных наполнителей на кремнийорганической основе для полимерных композиционных материалов авиационно-космического назначения. / Н.И.Черкашина, Н.А.Четвериков. // Труды 2-й Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для космической техники»: сб. научн. тр., Москва, 17-19 мая 2011 / МИЭМ. - Москва, 2011. - С.230-233].

Смешение компонентов происходит во влажном состоянии: растворяют ударопрочный полистирол марки УПС-0803Э в толуоле, после чего добавляют силоксановый наполнитель и подвергают ультразвуковой обработке при частоте 22 кГц. Благодаря перемешиванию компонентов во влажном состоянии путем ультразвуковой кавитации при частоте 22 кГц достигается наиболее равномерное распределение наполнителя в матрице. При сухом смешении порошкообразных компонентов в готовом композите наблюдается объединение силоксанового наполнителя в отдельные конгломераты с поперечными размерами до 10 мкм. Следовательно, ухудшается равномерность распределения силоксанового наполнителя в ударопрочном полистироле, что влечет за собой снижение стойкости композита к воздействию атомарного кислорода. Таким образом, растворение ударопрочного полистирола в толуоле и ультразвуковая обработка препятствует агрегации частиц силоксанового наполнителя, тем самым обеспечивая равномерное распределение его в объеме композита.

Для удаления растворителя полученный раствор нагревают в сушильном шкафу до температуры 115°С и выдерживают в течение 30 мин, после полного удаления растворителя смесь диспергируют в мельнице не менее 5 мин.

Образовавшуюся сухую смесь нагревают до 170°С (температура формовки полистирольных образцов) и выдерживают 20 мин, затем производят прессование композитов методом твердофазного компактирования под высоким удельным давлением 200 МПа. Способ изготовления композита методом горячего твердофазного компактирования с заданным давлением обеспечивает композиту необходимые механические характеристики для защиты от воздействия космического пространства, в связи с созданием более плотной упаковки частиц в композите. Пуансон пресс-формы отполирован до зеркального блеска, благодаря чему композит обладает глянцевой поверхностью, что в сочетании с высокой белизной композита позволит использовать его в качестве терморегулирующего покрытия класса «Солнечные отражатели».

Заявленный состав и способ его получения придает композиту новые более высокие показатели защиты от космического воздействия, что позволяет его использовать на высоте от 200 до 700 км, в температурном диапазоне от -130°С до +170°С, при интенсивности ВУФ-излучения 0,5 Вт/м², при флюенсе АК Ф~7,18·10²⁰ ат/см² с энергией облучения 20 эВ.

Новый материал позволит расширить номенклатуру полимерных композитов авиационно-космического назначения, упростить технологию изготовления полимерных композитов, увеличить срок службы космического аппарата на низких земных орбитах и уменьшить его весовые характеристики.

1. Композит для защиты от космического воздействия, состоящий из силоксанового наполнителя размером до 1 мкм, отличающийся тем, что дополнительно содержит ударопрочный полистирол при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ударопрочный полистирол	38-46
Силоксановый наполнитель	54-62

2. Способ получения композита по п.1, состоящий из синтеза силоксанового наполнителя (ксерогель метилполисилоксана), растворения ударопрочного полистирола в толуоле, его смешение с порошкообразным наполнителем путем ультразвуковой кавитации при частоте 22 кГц, удаления растворителя и прессования получившейся порошкообразной смеси, отличающийся тем, что полученный раствор нагревают до температуры 115°С и выдерживают в течение 30 мин, после полного удаления растворителя образовавшуюся сухую смесь нагревают до температуры 170°С и выдерживают в течение 20 мин, затем производят прессование композитов методом твердофазного компактирования под высоким удельным давлением 200 МПа.