Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Павленко З.В. 1 Денисова Л.В. 1 Матюхин П.В 1 Иваницкий Д.А. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

В статье представлен анализ материалов, применяемых для синтеза терморегулирующих покрытий. Представлены основные недостатки и достоинства известных полимерных композитов, используемых в качестве терморегулирующих покрытий в космических кораблях. Показано, что актуальным является направление по разработке терморегулирующих покрытий на основе полимеров и органосилоксановых структур. Работа посвящена анализу воздействия вакуумного ультрафиолета, как одного из самых опасных факторов космоса, на композиционный полимерный материал. Проведено исследование по оценке поверхностных свойств полученного материала до и после обработки вакуумным ультрафиолетом. Представлены спектры отражения композита в диапазоне длин волн от 240 до 800 нм до и после обработки вакуумным ультрафиолетом. Показана высокая стойкость разработанного материала к условиям, максимально приближенным к околоземному космическому пространству: глубокий вакуум, вакуумный ультрафиолет с длиной волны λ = 90…115 нм, интенсивность 0,5 Вт/м2.

Статья в формате PDF

2763 KB

терморегулирующие покрытия

вакуумный ультрафиолет

длина волны

интенсивность

факторы космоса

1. Матюхин П.В. Жаропрочный радиационно-защитный композиционный материал конструкционного назначения / П.В. Матюхин, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина, В.А. Дороганов, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 10. – С. 32–36.

2. Матюхин П.В. Термостойкие радиационно-защитные композиционные материалы, эксплуатируемые при высоких температурах / П.В. Матюхин, В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, В.А. Дороганов, Н.И. Черкашина, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 7–8. – С. 23–25.

3. Павленко В.И. Влияние вакуумного ультрафиолета на микро- и наноструктуру поверхности модифицированных полистирольных композитов / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Перспективные материалы. – 2013. – № 3. – С. 14–19.

4. Павленко В.И. Влияние вакуумного ультрафиолета на поверхностные свойства высоконаполненных композитов / В.И. Павленко, В.Т. Заболотный, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Физика и химия обработки материалов. – 2013. – № 2. – С. 19–24.

5. Павленко В.И. Влияние содержания кремнийорганического наполнителя на физико-механические и поверхностные свойства полимерных композитов / В.И. Павленко, Н.И. Черкашина, В.В. Сухорослова, Ю.М. Бондаренко // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – С. 95.

6. Павленко В.И. Дефектность кристаллов модифицированного гидрида титана, подвергнутого термической обработке /В.И. Павленко, О.В. Куприева, Н.И. Черкашина, Р.Н. Ястребинский // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015. – Т. 58, № 5. – С. 125–129.

7. Павленко В.И. Изучение коэффициентов ослабления фотонного и нейтронного пучков при прохождении через гидрид титана / В.И. Павленко, О.Д. Едаменко, Н.И. Черкашина, О.В. Куприева, А.В. Носков // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2015. – № 6. – С. 21.

8. Павленко В.И. Модифицирование поверхности гидрида титана боросиликатом натрия / В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, О.В. Куприева, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2014. – № 6. – С. 19–24.

9. Павленко В.И. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы / В.И. Павленко, О.Д. Едаменко, Р.Н. Ястребинский, Н.И. Черкашина // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 113–116.

10. Павленко В.И. Расчет ионизационных и радиационных энергетических потерь быстрых электронов в полистирольном композите /В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2015. – № 8. – С. 5–11.

11. Павленко В.И. Повышение эффективности антикоррозионной обработки ядерного энергетического оборудования путем пассивации в алюминийсодержащих растворах / В.И. Павленко, В.В. Прозоров, Л.Л. Лебедев, Ю.И. Слепоконь, Н.И. Черкашина // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2013. – Т. 56, № 4. – С. 67–70.

12. Павленко В.И. Экспериментальное и физико-математическое моделирование воздействия набегающего потока атомарного кислорода на высоконаполненные полимерные композиты / В.И. Павленко, Л.С. Новиков, Г.Г. Бондаренко, В.Н. Черник, А.И. Гайдар, Н.И. Черкашина, О.Д. Едаменко // Перспективные материалы. – 2012. – № 4. – С. 92–98.

13. Павленко В.И. Эффективный способ получения термостойкого кристаллического нанопорошка вольфрамата свинца для жаростойких радиационно-защитных материалов / В.И. Павленко, Р.Н. Ястребинский, В.А. Дороганов, И.В. Соколенко, Н.И. Черкашина, Е.И. Евтушенко // Огнеупоры и техническая керамика. – 2014. – № 7–8. – С. 32–36.

14. Павленко В.И. Явления электризации диэлектрического полимерного композита под действием потока высокоэнергетических протонов / В.И. Павленко, А.И. Акишин, О.Д. Едаменко, Р.Н. Ястребинский, Д.Г. Тарасов, Н.И. Черкашина // Известия Самарского научного центра РАН. – 2010. – Т. 12, № 4–3. – С. 677–681.

15. Павленко В.И. Суммарные потери энергии релятивистского электрона при прохождении через полимерный композиционный материал / Павленко В.И., Едаменко О.Д., Черкашина Н.И., Носков А.В. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2014. – № 4. – С. 101–106.

16. Черкашина Н.И. Воздействие вакуумного ультрафиолета и кислородной плазмы на структуру и устойчивость полистирольного композита с органосилоксановым наполнителем: диссертация ... кандидата технических наук. – Белгород, 2013.

17. Черкашина Н.И. Исследование влияния вакуумного ультрафиолета на морфологию поверхности нанонаполненных полимерных композиционных материалов в условиях, приближённых к условиям околоземного космического пространства / Черкашина Н.И., Павленко В.И., Едаменко А.С., Матюхин П.В. // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – С. 130.

18. Черкашина Н.И. Воздействие вакуумного ультрафиолета на полимерные нанокомпозиты // Инновационные материалы и технологии (ХХ научные чтения): Материалы Межд. научно-практич. конференции. – 2010. – С. 246–249.

19. Черкашина Н.И. Моделирование воздействия космического излучения на полимерные композиты с применением программного комплекса GEANT4 // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3. – С. 122.

20. Черкашина Н.И. Перспективы создания радиационно-защитных полимерных композитов для космической техники в Белгородской области / Н.И. Черкашина Н.И., В.И. Павленко / Белгородская область: прошлое, настоящее, будущее. Материалы областной научно-практической конференции в 3-х частях. – 2011. – С. 192–196.

21. Черкашина Н.И. Разработка наноструктурированных вяжущих на основе местного сырья Белгородской области для штукатурных растворов// В сборнике: Материалы I Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью». – Кемерово, 2010. – С. 67–70.

22. Черкашина Н.И. Синтез высокодисперсного гидрофобного наполнителя для полимерных матриц / Н.И. Черкашина, А.А. Карнаухов, А.В. Бурков, В.В. Сухорослова // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 6. – С. 156–159.

23. Ястребинский Р.Н. Модифицированные железооксидные системы – эффективные сорбенты радионуклидов / Р.Н. Ястребинский, В.И. Павленко, Г.Г. Бондаренко, А.В. Ястребинская, Н.И. Черкашина // Перспективные материалы. – 2013. – № 5. – С. 39–43.

24. Ястребинский Р.Н. Структурно-фазовая характеристика боросиликатного покрытия // Р.Н. Ястребинский, О.В. Куприева, Н.И. Черкашина // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2014. – Т. 57, № 9. – С. 20–23.

25. Matyukhin P.V. The high-energy radiation effect on the modified iron-containing composite material / P.V. Matyukhin, V.I Pavlenko, R.N. Yastrebinsky, N.I. Cherkashina // Middle East Journal of Scientific Research. – 2013. – Т. 17, № 9. – Р. 1343–1349.

26. Pavlenko V.I. Effect of vacuum ultraviolet on the surface properties of high-filled polymer composites / V.I. Pavlenko, N.I. Cherkashina, O.D. Edamenko, V.T. Zabolotny // Inorganic Materials: Applied Research. – 2014. – Т. 5, № 3. – Р. 219–223.

27. Pavlenko V.I. Modification of titanium hydride surface with sodium borosilicate / V.I. Pavlenko, O.V. Kuprieva, R.N. Yastrebinskii,N.I. Cherkashina, G.G. Bondarenko/ Inorganic Materials: Applied Research. – 2014. – Т. 5, № 5. – Р. 494–497.

28. Pavlenko V.I. Total energy losses of relativistic electrons passing through a polymer composite / V.I. Pavlenko, O.D. Edamenko, N.I. Cherkashina, A.V. Noskov // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2014. – Т. 8, № 2. – Р. 398–403.

29. Pavlenko V.I. Using the high-dispersity [alpha]-Al2O3 as a filler for polymer matrices, resistant against the atomic oxygen / V.I. Pavlenko, N.I. Cherkashina, A.V. Yastrebinskaya, P.V. Matyukhin.,O.V. Kuprieva // World Applied Sciences Journal. – 2013. – Т. 25, № 12. – Р. 1740–1746.

30. Pavlenko V.I. Study of the attenuation coefficients of photon and neutron beams passing through titanium hydride / V.I. Pavlenko, O.D. Edamenko, N.I. Cherkashina, O.V .Kuprieva, A.V. Noskov // Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques. – 2015. – Т. 9, № 3. – Р. 546–549.

31. Slyusar’ O.A. Effect of additives on dispersed system structure formation / O.A. Slyusar’, R.N. Yastrebinskii, N.I. Cherkashina, V.A. Doroganov, A.V. Yastrebinskaya // Refractories and Industrial Ceramics. – 2015.

32. Yastrebinsky R.N. Modifying the surface of iron-oxide minerals with organic and inorganic modifiers/ R.N. Yastrebinsky, V.I. Pavlenko, P.V. Matukhin, N.I. Cherkashina, O.V. Kuprieva // Middle East Journal of Scientific Research. – 2013. – Т. 18, № 10. – Р. 1455–1462.

Для обеспечения перегрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры в космосе применят терморегулирующие покрытия. Они должны эффективно отражать Солнечное излучение в широком диапазоне длин волн, обладать высокой радиационной стойкостью к ионизирующим излучениям и термической стойкостью, как к отрицательным, так и к повышенным температурам космоса. Наиболее актуальной является проблема создания материалов, устойчивых к вакуумному ультрафиолету в условиях космического пространства. Известно, что под действием вакуумного ультрафиолета в полимерах и материалах на их основе происходит фотохимическая деструкция, в том числе разрыв химических связей или их сшивка [3, 4, 16, 17, 18, 26]. Все это приводит к потере первоначальных поверхностных свойств полимера, особенно необходимых для терморегулирующих покрытий [15, 19, 30]. Таким образом, перспективным направлением является разработка радиационно-стойких и радиационно-защитных материалов, которые обладают хорошими конструкционными свойствами и высокой устойчивостью к вакуумному ультрафиолету.

Ранее для терморегулирующих покрытий применялись чистые полимеры (полиимид, полистирол, полиметилметакрилат и др.). Однако, под воздействием атомарного кислорода, присутствующего в большом количестве в космосе, происходила деструкция поверхностного слоя материала, вызванная большим уносом массы [5, 6, 12, 24, 29]. Поэтому для защиты от атомарного кислорода и вакуумного ультрафиолета стали применять радиационно-защитные материалы на основе порошков оксидов металлов, внедряя их в полимерную матрицу.

а

б

Спектры отражения разработанного композита: а – до облучения; б – после облучения ВУФ

Основной недостаток известных полимерных композитов, используемых в качестве терморегулирующих покрытий в космических кораблях, это сравнительно низкие физико-механические характеристики, недостаточно высокие радиационно-защитные свойства и радиационная стойкость при резких перепадах температур (от – 150 °С до + 150 °С), а также высокое газовыделение в вакууме [7, 11, 22, 27, 28]. Кроме того, газовыделение полимеров в вакууме приводит к тому, что образующиеся при этом летучие конденсирующиеся вещества загрязняют поверхность микросхем, электронную бортовую аппаратуру, солнечные батарее и др. немаловажные элементы космического корабля.

В данной работе представлены данные по использованию органосилоксановых структур для получения материалов, устойчивых к вакуумному ультрафиолету. Применение обычного оксида кремния в композитах не желательно, так как он обладает повышенным газовыделением в вакууме, а органосилоксановые структуры мало этому подвержены [1, 8, 9, 10, 2, 20, 21]. Кроме того, использование кремнийсодержащих элементов позволяет получить материалы, обладающие стойкостью к атомарному кислороду, так как при взаимодействии атомарного кислорода с элементарным кремнием создается прочное соединение, не подвергающееся дальнейшему разрушению [13, 14, 25, 32].

Цель исследования

Исследовать возможность применения органосилоксановых структур для получения материалов, устойчивых к вакуумному ультрафиолету. Провести анализ стойкости материала к вакуумному ультрафиолету в зависимости от содержания наполнителя, дать оценку изменения поверхностного слоя композита до и после облучения.

Материалы и методы исследования

Для синтеза композитов использовали в качестве матрицы – фторопласт-4 по ГОСТ 10007-80. В качестве наполнителя использовали органосилоксановый полимер-полиметилсилоксан. Устойчивость к вакуумному ультрафиолету (ВУФ) исследовали с помощью специализированной установки в условиях, максимально приближенных к околоземному космическому пространству: глубокий вакуум, вакуумный ультрафиолет с длиной волны λ = 90…115 нм, интенсивность 0,5 Вт/м2. Облучение в камере проводили в течение 24 часов.

Результаты исследования и их обсуждение

Синтезированный композит с максимально возможным содержанием наполнителя подвергли облучению вакуумному ультрафиолету. До и после облучения были сняты спектры отражения композита в диапазоне дли волн от 240 до 800 нм.

Спектр отражения до и после облучения ВУФ представлен на рисунке. Воздействие ВУФ уменьшает коэффициенты отражения разработанного полимерного композита во всем диапазоне длин волн (рисунок).

Из рисунка видно, что после воздействия ВУФ-облучения форма спектральной кривой аналогична кривой, полученной до облучения. Однако график отражения после воздействия ВУФ-облучения располагается чуть ниже графика отражения композита, снятого до облучения, т.е. снижается интенсивность отраженного света в данном диапазоне длин волн. Это хорошо видно в исследуемых точках 297,5 (точка 2 до облучения) соответствует 299,0 (точка 1 после облучения). Однако расхождения слишком малы и не превышают 2 %, что говорит об устойчивости разработанного композита к вакуумному облучению.

Заключение

В работе представлена возможность использования органосилоксановых структур для получения материалов, устойчивых к вакуумному ультрафиолету. Для синтеза композитов использовали в качестве матрицы – фторопласт-4 по ГОСТ 10007-80, а качестве наполнителя использовали органосилоксановый полимер-полиметилсилоксан.

Проведено исследование по оценке поверхностных свойств полученного материала до и после обработки вакуумным ультрафиолетом. Представлены спектры отражения композита в диапазоне длин волн от 240 до 800 нм до и после обработки вакуумным ультрафиолетом. Показана высокая стойкость разработанного материала к условиям, максимально приближенным к околоземному космическому пространству: глубокий вакуум, вакуумный ультрафиолет с длиной волны λ = 90…115 нм, интенсивность 0,5 Вт/м2.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K.

Библиографическая ссылка