Устойчивость терморегулирующих покрытий на основе полимерных композитов к микрометеоритному воздействию

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устойчивость терморегулирующих покрытий на основе полимерных композитов к микрометеоритному воздействию

Черкашина Н.И.

Аннотации

В статье рассмотрена устойчивость терморегулирующих покрытий на основе полимерных композитов к микрометеоритному воздействию. В качестве частиц использовались преимущественно металлические частицы: Al, Cr, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Ti и др. с размерами от 0,1?9 мкм. Также в работе представлены данные по облучению материалов сажей, для создания имитации воздействия космической пыли.

Ключевые слова: терморегулирующие покрытия, полимеры, микрометеоритное воздействие.

Cherkashina N.I.

ORCID: 0000-0003-0161-3266, PhD in Engineering, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov

THE STABILITY OF THERMAL CONTROL COATINGS BASED ON POLYMER COMPOSITES TO MICROMETEORITE EFFECTS

The article the stability of thermal control coatings based on polymer composites to micrometeorite effects. As particles have been used predominantly metallic particles: Al, Cr, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Ti and etc. with sizes from 0.1?9 microns. Also, the paper presents data on irradiation of soot materials, to create a simulation of the impact of space dust.

Keywords: thermoregulatory coatings, polymers, micrometeorite impact.

Элементы, находящиеся на внешней поверхности космического аппарата подвергаются негативным воздействия космоса [1-8], особенно сильным ударам микрометеоритных частиц [9-16]. Характеристики по которым оценивают большинство микрометеоритов следующие: масса - 10-17 - 10-9 кг, интегральная плотность потока - 10-8 част./см 2, интервал скоростей относительно КА - до 72 км/с.

Столкновение микрометеоритных частиц с указанными выше параметрами с элементами космического аппарата, находящимися на внешней стороне обычно не вызывают пробой оболочки космического объекта, но могут вызвать эрозию внешних элементов [17-25] и изменить их первоначальные функциональные свойства [26-30]. Поэтому актуальным является проведение экспериментов по взаимодействию микрометеоритных частиц в широком диапазоне скоростей элементами космического летательного объекта, находящимися на внешней его стороне.

При столкновении микрометеорной частицы с твердым веществом за очень малое время возникает пространство сильного сжатия материи, которое и является источником ударной волны, как в твердом веществе, так и в микрометеорной частице.

Исходные значения ударной волны, как правило, определяются законами сохранения энергии, массы и импульса, а также уравнениями состояния материала (мишени) и снаряда (микрометеоритной частицы). Известно, что при столкновении частицы, сделанной из стали о вещество, которое тоже выполнено из стали со скоростью порядка 10-80 км/с, то создаваемое давление в системе будет огромным и равным не менее 1011 - 1013 Па. Однако, при ударах частиц, обладающих низкой скоростью, приблизительно 1км/с, основную роль уже будет играть пластическая деформация вещества, на которое падает частица, т.е. происходит выдавливание или выплескивание частичек материала из образовавшегося "кратера", вокруг которого образуется свободное пространство. Если вещество, на которое падает набегающая частица хрупкое, например, сделано из стекла, то образовавшаяся ударная волна приведет к хрупкому разрушению, и образуются трещины (радиальные и тангенциальные).

В данной работе изучалось взаимодействие микрометеоритных частиц с полимерными композитами терморегулирующего назначения. В качестве матрицы для синтеза полимерных композитов в работе использовали полиалканимид, а в качестве наполнителя модифицированный алюмосилсесквиоксаном вольфрамат свинца.

Устойчивость разработанных полимерных композитов к микрометеоритному воздействию исследовалось на специализированном генераторе ускоряющих частиц. Напряжение ускорения для данного оборудования находится в широком интервале от 2?105 до 4?106 В. Установка находится в НИИЯФ МГУ.

Использование вышеописанной установки для имитации потоков микрометеоритных частиц позволило изучить происходящие эффекты взаимодействия частиц с разработанными полимерными композитами различного состава в следующем диапазоне скоростей частиц от 0,1 до 30 км?с?1. космический композит полимерный

В проводимом эксперименте использовались преимущественно металлические частицы: Al, Cr, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Ti и др. с размерами от 0,5?10 мкм. Исследования проводились в вакуумных камерах при остаточных давлениях 1,33 ?10-3 Па. Измерение терморегулирующих свойств разработанных полимерных композитов проводилось до и после проведения эксперимента, имитирующего микрометеорное столкновение. После проведенных исследований измеряли изменение интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения As и коэффициента теплового излучения (степень черноты) eв, которые также зависели от типа частицы, ее скорости. Количество микрометеоритных частиц, взаимодействующих с разработанными композитами в потоке составляло приблизительно 2Е104 частиц.

Результаты полученных экспериментов, представлены в таблицах 1-3.

Таблица 1 - Воздействие тяжелых частиц с чистым полиалканимидом

Анализ таблицы 1 показал, что после воздействия тяжелых частиц происходит сильное увеличение коэффициента поглощения солнечного излучения полиалканимида. Наибольшее увеличение коэффициента поглощения солнечного излучения происходит при обработке вольфрамом, он увеличивается на 105 %. А наименьшее воздействие на полиалканимид оказывают частицы железа, увеличение всего на 0,16 %.

Что касается изменения коэффициента теплового излучения, то он изменяется максимум на 6,17 % при воздействии частиц железа.

Таблица 2 - Воздействие тяжелых частиц с композитом, содержащим 30 % наполнителя

Анализ таблицы 2 показал сильное увеличение интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения (As) композита с содержанием 65 % наполнителя после воздействия различных частиц, имитирующих микрометеоритное воздействие. Коэффициент теплового излучения композита с содержанием 65 % наполнителя изменяется незначительно.

Таблица 3 - Воздействие тяжелых частиц с композитом, содержащим 65 % наполнителя

Анализ таблицы 3 показал, что композит с 65 % содержанием наполнителя наиболее устойчив к набегающему воздействию частиц.

Также в работе был проведен эксперимент по облучению материалов сажей, для создания имитации воздействия космической пыли. В таблице 4 представлены данные по повреждениям поверхности от частиц, обладающих высокой скоростью и от частиц, обладающих низкой скоростью, а также данные по загрязнению поверхности разработанных композитов от космической пыли и сажи.

Таблица 4 - Данные по площади кратеров, образованных при воздействии частиц на разработанный композит

Худшими результатами по устойчивости к микрометеоритным частицам обладают образцы из чистого полиалканимида, обладающего хрупким поверхностным слоем. В результате обработки полиалканимида микрометеоритными частицами, в нем образовался скол на поверхности, как раз в месте удара частицы о поверхность материала. Получившийся откол имеет границы овала-круга с центром в точке соударения с поверхностью и незначительное повреждение материала, на который был установлен образец чистого полиалканимида, причем радиус образовавшегося откола в несколько раз превышал радиус самой частицы даже при низких скоростях равных 2 км·с-1. Область разрушения в проведенных экспериментах составляла порядка 8-10 диаметров частицы. Также отметим, что от образовавшегося скола во все направления расходилось огромное количество микро- и глубоких трещин.

Изменение терморегулирующих характеристик полимерных композитов можно считать прямо пропорциональной полученной площади дефектной поверхности, образовавшейся в результате воздействия микрометеоритных частиц на исследуемые полимерные композиты. Поэтому установлено, что изменение исследуемых в работе оптических (терморегулирующих) свойств полимерных композитов происходит нелинейно и максимально заметно при достаточно низких уровнях деградации поверхностного слоя.

Литература

1. Павленко В.И. Полимерные радиационно-защитные композиты: Монография / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н..-Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009.- 199 с.

2. Павленко В.И. конструкционные композиционные материалы для радиационной защиты / Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н., Куприева О.В. // Перспективные материалы. - 2010. - № 6. - С. 22-28.

3. Павленко В.И. Высокодисперсные органосвинецсилоксановые наполнители полимерных матриц / Павленко В.И., Ястребинская А.В., Павленко З.В., Ястребинский Р.Н. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. - 2010. - № 2. - С. 99-103.

4. Павленко В.И. Полимерные диэлектрические композиты с эффектом активной защиты / Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Ястребинская А.В. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2009. - № 3. - С. 62-66.

5. Павленко В.И. Расчеты процессов прохождения гамма-квантов через полимерный радиационно-защитный композит / Павленко В.И., Липканский В.М., Ястребинский Р.Н. // Инженерно-физический журнал. - 2004. - Т.77, №1. - С.12-15.

6. Павленко В.И. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов / Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н. // Перспективные материалы. - 2006. - № 3. - С. 22.

7. Ястребинский Р.Н. Использование нанотрубчатых структур для синтеза радиационно-защитных экранов / Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, О.В. Демченко // Успехи современного естествознания. 2015. - № 10. - С. 52-55.

8. Использование высокодисперсного оксида алюминия для синтеза радиационно-стойких полимерных композитов / Р.Н. Ястребинский, Ю.М. Самойлова, В.И. Павленко, О.В. Демченко // Успехи современного естествознания. 2015. - № 9-3. С. 532-535.

9. Использование тяжелых металлов при разработке материалов для защиты от корпускулярного излучения / Турова А.А., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. - № 12-7. С. - 1183-1186.

10. Yastrebinskii R.N. Transport packing set for radioactive waste based on a radiation-protective polymeric matrix / R.N. Yastrebinskii, V.I. Pavlenko, G.G. Bondarenko // Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Т. 6. №5. С. 473-478.

11. Павленко В.И. Радиационно-защитный тяжелый бетон на основе железорудного минерального сырья / Павленко В.И., Воронов Д.В., Ястребинский Р.Н. // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2007. - № 4. - С. 40-42.

12. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, А.А. Смоликов и др.// Перспективные материалы. - 2006. - № 2. - С. 47-50.

13. Павленко В.И. Тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Д.В. Воронов // Строительные материалы. - 2007. - № 8. - С. 48-49.

14. Павленко В.И. Исследование тяжелого радиационно-защитного бетона после активации быстрыми нейтронами и гамма-излучением / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Д.В. Воронов // Инженерно-физический журнал. - 2008. - Т. 81. - № 4. - С. 661-665.

15. Радиационно-защитный бетон для АЭС c РБМК на основе железо-серпентинитовых композиций с цементным связующим / В.И. Павленко, А.А. Смоликов, Р.Н. Ястребинский и др. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2004. - № 8. - С. 66.

16. Pavlenko V.I. Modeling of processes of interaction of high-energy radiations with radiation-protective oxide of iron composites / V.I. Pavlenko, R. N. Yastrebinskij, S. V. Degtyarev // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2005. - Т. 10, № 1-2. - С. 46-51.

17. Гасанов С.К. Использование вакуумного ультрафиолета для уменьшения шероховатости поверхности полимерных композитов / С.К. Гасанов, Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко // Успехи современного естествознания. 2015. - № 10. - С. 11-14.

18. Павленко В.И. Захоронение радиоактивных отходов с использованием железорудного минерального сырья / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, З.В. Павленко // Успехи современного естествознания. 2015. № 9-3. С. 511-514.

19. Радиационно-защитные транспортные контейнеры отработавшего ядерного топлива на основе высоконаполненной полимерной матрицы и железорудного сырья КМА / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, П.В. Матюхин и др. // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. - С. 320-330.

20. Ястребинская А.В. Разработка и применение композиционного материала на основе эпоксидиановой смолы для строительных конструкций и теплоэнергетики / А.В. Ястребинская, Л.Ю. Огрель // Современные наукоемкие технологии. - 2004. - № 2.- С. 173.

21. Ястребинская А.В. Коррозионностойкие полимеркомпозиты на основе эпоксидных и полиэфирных олигомеров для строительства / А.В. Ястребинская, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский // Перспективы развития строительного комплекса. - 2012. - Т. 1. - С. 243-247.

22. Моделирование прохождения высокоэнергетических электронов в высоконаполненном полимерном композите / И.В. Соколенко, Р.Н. Ястребинский, А.А. Крайний и др. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2013. - №6. - С.145-148.

23. Ястребинский Р.Н. Транспортный упаковочный комплект для радиоактивных отходов на основе радиационно-защитной полимерной матрицы / Р.Н. Ястребинский, Г.Г. Бондаренко, В.И. Павленко // Перспективные материалы. - 2015. - № 6. - С. 25-31.

24. Thermoplastic constructional composite material for radiation protection / V.I. Pavlenko, R.N. Yastrebinskii, O.V. Kuprieva, I.S. Epifanovskii // Inorganic Materials: Applied Research. - 2011. - Т. 2, № 2. - С. 136-141.

25. Pavlenko V.I. Simulation of the processes of gamma-radiation transport through shielding containers for radioactive waste / V.I. Pavlenko, R.N. Yastrebinskii, V.M. Lipkanskii // Russian Physics Journal. - 2003. - Т. 46, №10.- С.1062-1065.

26. Структурообразование металлоолигомерных водных дисперсий/ Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, А.В. Ястребинская, П.В. Матюхин // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 2. - С. 121-123.

27. Конструкционные радиационно-защитные композиционные материалы на основе модифицированных железорудных пород КМА / Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, П.В. Матюхин и др. // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области. - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. -С. 491-499.

28. Механическая активация полимерных диэлектрических композиционных материалов в непрерывном режиме / А.В. Ястребинская, В.И. Павленко, П.В. Матюхин, Д.В. Воронов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2009. - № 3. - С. 74-77.

29. Композиционный материал для защиты от гамма-излучения/ Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, П.В. Матюхин, Н.А. Четвериков // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2011. - № 3. - С. 17-20.

30. Ястребинская А.В. Модифицированный конструкционный стеклопластик на основе эпоксидных олигомеров для строительных изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук. / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород. Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004. - 19 с.

Размещено на Allbest.ru