Анализ существующих терморегулирующих покрытий (ТРП) космических аппаратов свидетельствует, что они не могут обеспечить длительный срок активного существования (15 и более лет). Известные светоотражающие покрытия типа эмалей или керамических покрытий, наполненные пигментами оксидов металлов (эмали 40-1-28, ФП-5246, ЭКОМ, ЭКОМ-ЖС и др.) при воздействии корпускулярного излучения, за счет возникновения в материале тормозного рентгеновского излучения и роста температуры, разрушаются [10, 14, 28]. Не решены проблемы создания гибких ТРП класса «Солнечные отражатели» с высоким уровнем защиты от атомарного кислорода и вакуумного ультрафиолета, позволяющих поддерживать необходимый тепловой баланс аппаратуры космического аппарата длительное время (15 и более лет) [3, 4, 5, 12, 17, 16, 26]. Известные ТРП на основе полимеров обладают низкой радиационной стойкостью и малым диапазоном эксплуатации, что значительно снижает их оптические характеристики при использовании в космическом пространстве [2, 11, 12, 15, 16, 18–22, 24, 25, 27, 29–32].
Поэтому необходим новый подход при разработке терморегулирующих покрытий (ТРП), позволяющий ослабить влияние ионизирующего излучения на оптические характеристики материала при высоком уровне защиты от атомарного кислорода. Необходимо решить задачу обеспечения тройной защиты – тепловой, радиационной и противоударной (воздействия частиц метеорной материи и космического мусора). Эта концепция, получившая в зарубежной литературе название TRIPS (Thermal, Radiation, Impact Protective Shield), обсуждается в связи с созданием пилотируемых космических кораблей нового поколения и реализацией программ освоения Луны и осуществления полетов к планетам Солнечной системы.
В связи с этим, актуальными являются исследования по разработке научно-технических основ создания высокопрочных терморегулирующих покрытий с функцией радиационной защиты, для пассивной системы терморегулирования космических аппаратов, с целью уменьшения деградации оптических свойств покрытий при воздействии агрессивных факторов космического пространства и защиты бортовой радиоэлектронной аппаратуры от электромагнитных помех. Создание на поверхности полимерных ТРП эффективной интеллектуальной защиты, основанной на эффекте упрочнения композита за счет образования грибовидных структур на его поверхности при воздействии кислородной плазмы, позволит защитить материал от микрометеоритных частиц в космосе [1, 6, 7, 8, 9, 23].
В настоящее время большой интерес представляют полиэдральные олигомерные силсесквиоксаны (POSS), химическое строение которых можно представить общей формулой (RSiO1,5)n с n = 6, 8, 10, …, где R – органический радикал, в т.ч. несущий реакционно-способную группу. Термин «силсесквиоксаны» указывает на соотношение между числом атомов кислорода и кремния: sesqui=1,5. В приведенной формуле R – периферические группы, находящиеся на внешней стороне ядра; R=Н, алкил, алкилен, арил либо арилен.
В данной работе представлено исследование по возможности применения силсесквиоксанов в качестве наполнителя в полимерные матрицы для синтеза терморегулирующих композитов.
Цель исследования
Изучить возможность использования сислесивиоксанов для синтеза радиационно-стойких полимерных композитов терморегулирующего назначения.
Материалы и методы исследования
Синтез монофункциональных полиэдральных олигосилсесквиоксанов конденсированной структуры осуществлялся по золь-гель технологии путем взаимодействия олигосилсесквиоксанов частично конденсированной структуры с четыреххлористым силаном (SiCl4) при нормальных условиях.
В качестве матрицы для синтеза композитов использовали ударопрочный полистирол.
Результаты исследования и их обсуждение
Была исследована микротвердость полученных композитов с различным содержанием наполнителя. Микротвердость образцов по Викерсу определяли с использованием оборудования ПМТ-3 по стандартной методике. Прикладываемая нагрузка P составляла от 100 до 200 г. Число микротвердости по Викерсу HV подсчитывали как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидального отпечатка:
HV = 1,858∙Р/d2, (1)
где – среднеарифметическое значение для обеих диагоналей, получаемых на поверхности материала после прикладываемой нагрузки P.
Результаты исследования микротвердости композитов представлены в таблице.
Микротвердость по Викерсу разработанных композитов
|
Содержание наполнителя в композите |
||||
|
0 |
30 |
50 |
65 |
|
|
Микротвердость, НV |
12 |
19 |
33 |
35 |
Установлено, что микротвердость по Викерсу значительно увеличивается при введении наполнителя. Это связано с тем, что силсесквиоксаны имеют значительно большую микротвердость по сравнению с полистирольной матрицей.
Интегральный коэффициент поглощения αs – основную характеристику терморегулирующих покрытий (ТРП), вычисляли исходя из величин коэффициентов отражения по формуле:
(2)
где Rs – интегральный коэффициент отражения солнечного излучения rλ – значение коэффициента отражения композита при длине волны λ; n – число равноэнергетических участков солнечного спектра (n = 24).
Были измерены и вычислены интегральный коэффициент поглощения композита до и после воздействия факторов имитирующих годовое пребывание материала на околоземной орбите (имитировались такие параметры как вакуум, вакуумный ультрафиолет, атомарный кислород и резкий перепад температуры). Так для композита, содержащего 65 % наполнителя он составил 0,12 и 0,15 до и после обработки в камере, имитирующей годовое пребывание на околоземной орбите. Т.о. увеличение данного параметра составляет менее 25 %, что соответствует нормативным документам.
Заключение
Авторами рассмотрена возможность синтеза полимерных композитов на основе полистирола и силсесквиоксанов. Была исследована микротвердость по Викерсу полученных композитов с различным содержанием наполнителя. Установлено, что микротвердость по Викерсу значительно увеличивается при введении наполнителя. Это связано с тем, что силсесквиоксаны имеют значительно большую микротвердость по сравнению с полистирольной матрицей. Установлена высокая стойкость данного композита к факторам, имитирующим годовое пребывание материала на околоземной орбите: вакуум, вакуумный ультрафиолет, атомарный кислород и резкий перепад температуры.
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ, договор № НК 14-02-31050/15 от 30 апреля 2015 года.