Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

COMPOSITE MATERIALS ON THE BASIS POLIALKANIMIDOV FOR BIOLOGICAL PROTECTION OF THE PILOTED SPACECRAFTS

Cherkashina N.I. 1 Pavlenko V.I. 1 Sokolenko I.V. 1 Zhavoronkova M.K. 1
1 Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
2518 KB
Composite material on the basis of the polialkanimidny matrix reinforced by the nanotubular filled fibers is developed. On the level of strength properties in a wide interval of temperatures nanofilled полиалканимид it can be carried to thermolayers of constructional appointment. Durability at a gap at negative temperatures increases, and at the raised – decreases. Relative lengthening at a gap and impact strength with temperature increase increase that is explained by increase in molecular mobility of a polymeric matrix. Nanofilled полиалканимид differs from unfilled material in the increased rigidity, durability and smaller size of technological shrinkage. Thermocycling of standard samples from the nanofilled polymer in the range of temperatures from – 200 °С (liquid nitrogen) to + 250 °С showed that the initial level of physicomechanical, heatphysical properties and stability of the sizes of samples remain throughout 300 cycles.
polialkanimidny matrix
nanotubular filler
properties

Проблема безопасности человека в космосе до недавнего времени ограничивалась вопросами безопасности при околоземных полетах. Перспектива пилотируемых полетов в межпланетном пространстве (например, к Марсу и обратно с высадкой на него) выдвигает совершенно новые вопросы. На первый план выходит использование ядерных энергетических установок (ЯЭУ), которые на сегодняшний день являются безальтернативным источником энергии в случае освоения межпланетного космического пространства. Причем ЯЭУ может служить не только источником энергии для жизнеобеспечения экипажа и питания аппаратуры, но и средством, обеспечивающим движение, в том числе с помощью ядерного ракетного двигателя [1–16].

Космические ЯЭУ обладают рядом особенностей, отличающих их от наземных собратьев. Помимо конструктивных особенностей ядерного реактора, это, в первую очередь, особенности радиационной защиты.

Должна быть обеспечена биологическая защита персонала обитаемых космических объектов и сохранение работоспособности бортового оборудования космических аппаратов, в частности, систем компьютерного управления, так как полупроводниковая электроника весьма чувствительна к облучению. Причем безопасность не только от внешнего космического излучения, но и от излучения самого ядерного реактора. А это, в первую очередь, защита от нейтронного и гамма-излучения [17–24].

Решение указанных проблем возможно путем создания термо- и радиационно-стойких полимерных композиционных материалов на основе высокопрочной наноармированной полиалканимидной матрицы [25–34].

Цель исследования

Получить композиционные материалы на основе полиалканимидов, армированных нанотрубчатыми наполненными волокнами.

Материалы и методы исследования

Композиционные материалы получали смешением порошкообразного полиалканимида и волокнистого борсодержащего хризотила состава MgO:SiO2:B2O3 = 1,5:0,1:0,9 (содержание атомов бора 10,9 % масс) с последующей переработкой методом литья под давлением или горячего прессования. Способ переработки композиций определялся по показателю текучести расплава (ПТР).

Результаты исследования и их обсуждение

При введении в полиалканимид (ПАИ) волокнистого борсодержащего хризотила (ВБХ) наблюдается снижение ПТР (рисунок), что объясняется повышением вязкости системы.

Показатель текучести расплава наполненного полимера имеет достаточную для переработки литьем под давлением величину и с повышением температуры возрастает.

Наполнение термопласта ВБХ вызывает резкое снижение его деформируемости, особенно при небольших массовых долях наполнителя. Так, при 10 %-м наполнении ПАИ относительное удлинение при разрыве εp уменьшается в 2,7 раза, а при дальнейшем увеличении степени наполнения снижение относительного удлинения при разрыве замедляется. Данный факт вызван повышением жесткости полимера.

Исходя из результатов термогравиметрического анализа (ТГА) ПАИ на воздухе можно заключить, что наполненный и ненаполненный ПАИ являются термостойкими полимерами. Их термостойкость, оцениваемая по 5 % потери массы, составляет 418 и 416 °С соответственно.

Термические характеристики нанонаполненного ПАИ представлены в табл. 1.

cher1.wmf

Зависимость показателя текучести расплава ПАИ от массовой доли ВБХ

Таблица 1

Термические характеристики ПАИ

Показатели

Ненаполненный образец

Нанонаполненный образец

Потеря массы при нагревании до 400 °С

2,5

3,5

Температура деструкции, °С:

начала

окончания

396

580

400

575

Температура максимума разложения*, °С

474, 532

477, 516

Энергия активации, кДж/моль

245

370

Примечание. *Для первой и для второй стадии разложения полимера.

Таблица 2

Зависимость свойств нанонаполненного полиалканимида от температуры

Температура испытаний, °С

Прочность при разрыве, МПа

Относительное удлинение при разрыве, %

Ударная вязкость,

кДж/м2

– 60

141 (1,55)

10 (1,0)

31(1,11)

20

91 (1,00)

10 (1,0)

28 (1,00)

100

74 (0,81)

10 (1,0)

25 (0,79)

150

54 (0,59)

10 (1,0)

30 (1,07)

180

42 (0,46)

12 (1,2)

33 (1,18)

200

27 (0,30)

10 (1,0)

31(1,11)

220

27 (0,30)

10(1,1)

31(1,11)

Примечание. * В скобках приведен коэффициент сохранения свойств (отношение текущего показателя свойства к показателю при комнатной температуре).

Таблица 3

Теплофизические характеристики ПАИ

Показатели

Ненаполненный образец

Нанонаполненный образец

Теплоемкость, Дж/(кг∙К) при температуре, °С

0

60

150

200

800

1150

1570

1690

1245

1328

1436

1512

Энтальпия, Дж/кг

рекристаллизации

плавления

8,0

28,7

5,1

19,2

Температура плавления, ºС

297,7

299,8

По уровню прочностных свойств (табл. 2) в широком интервале температур нанонаполненный полиалканимид может быть отнесен к термопластам конструкционного назначения. Прочность при разрыве при отрицательных температурах увеличивается, а при повышенных – снижается. Относительное удлинение при разрыве и ударная вязкость с повышением температуры возрастают, что объясняется увеличением молекулярной подвижности полимерной матрицы.

Теплофизические характеристики нанонаполненного ПАИ представлены в табл. 3.

Нанонаполненный полиалканимид отличается от ненаполненного материала повышенной жесткостью, прочностью и меньшей величиной технологической усадки. Термоциклирование стандартных образцов из нанонаполненного полимера в интервале температур от – 200 °С (жидкий азот) до + 250 °С показало, что исходный уровень физико-механических, теплофизических свойств и стабильность размеров образцов сохраняются на протяжении 300 циклов.

Заключение

Разработан композиционный материал на основе полиалканимидной матрицы, армированной нанотрубчатыми наполненными волокнами. По уровню прочностных свойств в широком интервале температур нанонаполненный полиалканимид может быть отнесен к термопластам конструкционного назначения.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K и гранта РФФИ, проект № 14-08-00325.