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.
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.