Композит для защиты от космического воздействия, способ его получения


 


Владельцы патента RU 2484546:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" (RU)

Изобретение относится к области космического материаловедения и может быть использовано в качестве терморегулирующих покрытий на внешней стороне космического аппарата в области низких земных орбит. Композит включает полимерное связующее и высокодисперсный силоксановый наполнитель при следующем соотношении компонентов, в мас.%: ударопрочный полистирол 38-46, силоксановый наполнитель 54-62. Способ получения композита состоит из синтеза силоксанового наполнителя (ксерогель метилполисилоксана), растворения ударопрочного полистирола в толуоле, его смешения с порошкообразным наполнителем путем ультразвуковой кавитации при частоте 22 кГц, удаления растворителя и прессования получившейся порошкообразной смеси. Для удаления растворителя полученный раствор нагревают до температуры 115°С и выдерживают в течение 30 мин, после полного удаления растворителя образовавшуюся сухую смесь нагревают до температуры 170°С и выдерживают в течение 20 мин, затем производят прессование композитов методом твердофазного компактирования под высоким удельным давлением 200 МПа. Повышение стойкости к воздействию ультрафиолетового излучения и увеличение температурного диапазона эксплуатации композита являются техническим результатом изобретения. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области космического материаловедения и может применяться в качестве терморегулирующих покрытий на внешней стороне космического аппарата (КА) в области низких земных орбит.

Известны полимерные защитные материалы от воздействия космического излучения. Каждый вид защитного материала, наряду с преимуществами, имеет и существенные недостатки.

Известен материал [RU № 2275704. МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОСМИЧЕСКОЙ РАДИАЦИИ], состоящий из следующих компонентов, мас.%:

Кремнийорганический полимер 8,2-37,1

Порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды 60,7-92,0

Структурирующий агент 0,2-0,5

Технологический структурирующий агент 0,2-0,5

Вулканизирующий агент в виде диэтилдикаприлата олова или

катализатор в виде раствора аминосилана в эфирах

ортокремниевой кислоты 0,9-1,

Его недостатком является высокая плотность (4660-7450 кг/м3), а также невысокая стойкость к потоку атомарного кислорода в околоземном пространстве.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является материал, устойчивый к воздействию атомарного кислорода в космических условиях [Вернигоров К.Б. Исследование устойчивости гибридных композиций эпоксидное связующее - силоксан к воздействию атомарного кислорода при лабораторной имитации полета в ионосфере. / К.Б.Вернигоров, А.А.Чугунова, А.Ю.Алентьев и др. // Труды 2-й Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для космической техники»: сб. научн. тр., Москва, 17-19 мая 2011 / МИЭМ. - Москва, 2011. - С.88-91], состоящий из эпоксидного связующего, содержащего в своем составе 10-50% полидиметилсилоксана.

Недостатком данного материала является техническая сложность его синтеза методом химической модификации полимера, основанного на внедрении в структуру полимерных цепей различных силоксансодержащих фрагментов, а также невысокая стойкость к воздействию ВУФ-излучения.

Известен способ получения композита [JP № 2007270056. METAL OXIDE PARTICULATE-CONTAINING POLISILOXANE COMPOSITION AND METOD FOR PRODUCING SAME] путем смешивания частиц оксидов металлов и многофункционального полисилоксана в органическом растворителе с дальнейшим отверждением композита.

Его недостатком является неоднородность и долгое время синтеза композита в связи с необходимостью отверждения композиции.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков, принятым за прототип, является способ [KR № 20050022036. POLYMER CAPSULES CONTAINING AN ULTRAVIOLET ABSORBER, HAVING IMPROVED STABILITY IN COSMETIC FORMULATIONS WITHOUT LOSS OF ULTRAVIOLET BLOCKING EFFECT AND PREPARATION METHOD THEREOF, AND COSMETICS CONTAINING THE SAME], он включает в себя этапы: (1) растворение полимера в растворителе; (2) диспергирование ультрафиолетового поглотителя в раствор полимера, (3) эмульгирование ультрафиолетового поглотителя в раствор полимера в присутствии дисперсии стабилизирующего агента для подготовки эмульсии; и (4) удаление растворителя из эмульсии и восстановления мягких капсул полимера. Его недостатком является невысокая плотность упаковки получаемых частиц в виде капсул, что не позволяет их использовать в космическом пространстве.

Целью изобретения является повышение защиты от вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ), набегающего потока атомарного кислорода (АК), а также увеличение температурного диапазона применения композита.

Поставленная цель достигается тем, что заявленный композит для защиты от космического воздействия содержит в качестве составляющих компонентов ударопрочный полистирол (матрица) и силоксановый наполнитель (ксерогель метилполисилоксана) размером до 1 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ударопрочный полистирол 38-46
Силоксановый наполнитель 54-62

Использование в качестве матрицы ударопрочного полистирола марки УПС-0803Э (ГОСТ 28250-89) обусловлено его высокой радиационной стойкостью, а также низким газовыделением при космическом воздействии.

Силоксановый наполнитель (ксерогель метилполисилоксана) представляет собой высокодисперсный гидрофобный порошок белого цвета, полученный по золь-гель методу с плотностью 1100-1200 кг/м3.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый состав композита для защиты от космического воздействия отличается от известного введением нового компонента, а именно ударопрочного полистирола. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

Количественное содержание компонентов предлагаемого и известного композита приведено в табл.1.

Характеристики композита для защиты от космического воздействия представлены в табл.2.

Модуль продольной упругости Е (модуль Юнга) композитов рассчитывали по скорости распространения ультразвука в композите. Измерение скорости ультразвуковых колебаний в композитах проводили эхо-импульсным методом.

Таблица 1
Составы материалов
Компонент Содержание, мас.%
Предлагаемый композит Известный композит (прототип)
1 2 3 4 5
Ударопрочный полистирол 38 40 42 44 46 Нет
Силоксановый наполнитель 62 60 58 56 54 50
Эпоксидное связующее нет нет нет нет нет 50

Плотность композитов ρ измеряли методом гидростатического взвешивания. Устойчивость к воздействию АК оценивали по массовому коэффициенту эрозии Rm, равному соотношению удельной потери массы к флюенсу АК (г/атом О). Облучение проводилось при энергии атомов кислорода 20 эВ, флюенсе атомов Ф~7,18·1020 ат/см2. Использование ударопрочного полистирола в виде матрицы позволяет создавать композиты, максимально наполненные силоксановым наполнителем, который является одним из основных компонентов для защиты АК. Атомы Si4+, образующиеся при термоокислительной деструкции метилполисилоксана, взаимодействуют с атомарным кислородом, в композите образуется оксид кремния, из которого формируется защитная пленка, препятствующая диффузии атомов кислорода к поверхности композита.

Испытания на стойкость к воздействию ВУФ-излучения проводили по ГОСТ Р 25645.338-96 «Материалы полимерные для космической техники. Требования к испытаниям на стойкость к воздействию вакуумного ультрафиолетового излучения». Стойкость к воздействию ВУФ-излучения оценивали по изменению интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения α при длине волны от 0,2 до 2,5 мкм при интенсивности излучения 0,5 Вт/м2 и длине волны ВУФ-излучения 115 нм. Использование ударопрочного полистирола позволило создавать композиты, обладающие максимальной белизной. Сам ударопрочный полистирол - прозрачный материал, а силоксановый наполнитель является фотоактивным компонентом, эффективно рассеивающим видимый свет, придавая тем самым композиту белизну, что защищает композит от фотодеструкции в космосе.

Верхнюю и нижнюю границы температуры эксплуатации композита Тэкс определяли по максимальной температуре, при которой происходит уменьшение прочностных свойств композита в 2 раза (без механических нагрузок).

Таблица 2
Свойства композита для защиты от космического воздействия
Показатель Предлагаемый композит Известный композит (прототип)
1 2 3 4 5 6
Плотность ρ, кг/м3 1161 1159 1157 1153 1147 1170
Модуль продольной упругости E, ·104 МПа 0,323 0,398 0,417 0,434 0,450 0,345
Массовый коэффициент эрозии Rm, 10-24 г/атом O 0,46 0,39 0,38 0,41 0,45 0,48
Отношение коэффициентов поглощения солнечного излучения αначкон 0,16/0,18 0,16/0,18 0,15/0,17 0,16/0,19 0,17/0,2 0,21/0,25
Нижний предел эксплуатации, °С -130 -130 -129 -128 -125 -70
Верхний предел эксплуатации, °С 170 168 166 158 150 160

Анализ прототипа показал, что композит, содержащий в качестве матрицы эпоксидное связующее, не обладает высокими защитными свойствами от космического воздействия, какими обладает композит для защиты от космического воздействия на основе компонентов, представленных в заявляемом решении (табл.2), а именно на 28,6% и 32% понижается интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения соответственно до и после воздействия ВУФ-излучения. Кроме того, на 20,8% понижается массовый коэффициент эрозии АК и на 85,7% увеличивается нижний предел эксплуатации заявленного композита по сравнению с прототипом. Таким образом, заявляемый состав компонентов придает композиту новые, более высокие показатели защиты от космического воздействия, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «существенные отличия».

Заявленный способ получения композита состоит из синтеза силоксанового наполнителя (ксерогель метилполисилоксана), растворения ударопрочного полистирола в толуоле, его смешения с порошкообразным наполнителем путем ультразвуковой кавитации при частоте 22 кГц, удаления растворителя и прессования получившейся порошкообразной смеси и отличается тем, что для удаления растворителя полученный раствор нагревают до температуры 115°С и выдерживают в течение 30 мин, после полного удаления растворителя образовавшуюся сухую смесь нагревают до температуры 170°С и выдерживают в течение 20 мин, затем производят прессование композитов методом твердофазного компактирования под высоким удельным давлением 200 МПа.

Благодаря технологии прессования композитов методом твердофазного компактирования под высоким удельным давлением 200 МПа происходит реакция поликонденсации, и за счет топохимического взаимодействия ударопрочного полистирола и силоксанового наполнителя происходит образование нового типа соединения силоксановый наполнитель-ударопрочный полистирол.

Силоксановый наполнитель получают по золь-гель технологии из распространенного в химической промышленности водорастворимого метилсиликоната натрия - RSi(OH)2ONa, где R=СН3, при рН 4. Структурная формула силоксанового наполнителя имеет вид:

Осажденный силоксановый наполнитель (ксерогель метилполисилоксана) отделяют от раствора, декантируют водой от щелочи, высушивают в вакууме при 100°С в течение 3 часов и диспергируют в мельнице до размера частиц 0,1-1 мкм. Готовый наполнитель представляет собой высокодисперсный гидрофобный порошок белого цвета с плотностью 1100-1200 кг/м3 [Черкашина Н.И. Создание высокодисперсных наполнителей на кремнийорганической основе для полимерных композиционных материалов авиационно-космического назначения. / Н.И.Черкашина, Н.А.Четвериков. // Труды 2-й Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети «Функциональные наноматериалы для космической техники»: сб. научн. тр., Москва, 17-19 мая 2011 / МИЭМ. - Москва, 2011. - С.230-233].

Смешение компонентов происходит во влажном состоянии: растворяют ударопрочный полистирол марки УПС-0803Э в толуоле, после чего добавляют силоксановый наполнитель и подвергают ультразвуковой обработке при частоте 22 кГц. Благодаря перемешиванию компонентов во влажном состоянии путем ультразвуковой кавитации при частоте 22 кГц достигается наиболее равномерное распределение наполнителя в матрице. При сухом смешении порошкообразных компонентов в готовом композите наблюдается объединение силоксанового наполнителя в отдельные конгломераты с поперечными размерами до 10 мкм. Следовательно, ухудшается равномерность распределения силоксанового наполнителя в ударопрочном полистироле, что влечет за собой снижение стойкости композита к воздействию атомарного кислорода. Таким образом, растворение ударопрочного полистирола в толуоле и ультразвуковая обработка препятствует агрегации частиц силоксанового наполнителя, тем самым обеспечивая равномерное распределение его в объеме композита.

Для удаления растворителя полученный раствор нагревают в сушильном шкафу до температуры 115°С и выдерживают в течение 30 мин, после полного удаления растворителя смесь диспергируют в мельнице не менее 5 мин.

Образовавшуюся сухую смесь нагревают до 170°С (температура формовки полистирольных образцов) и выдерживают 20 мин, затем производят прессование композитов методом твердофазного компактирования под высоким удельным давлением 200 МПа. Способ изготовления композита методом горячего твердофазного компактирования с заданным давлением обеспечивает композиту необходимые механические характеристики для защиты от воздействия космического пространства, в связи с созданием более плотной упаковки частиц в композите. Пуансон пресс-формы отполирован до зеркального блеска, благодаря чему композит обладает глянцевой поверхностью, что в сочетании с высокой белизной композита позволит использовать его в качестве терморегулирующего покрытия класса «Солнечные отражатели».

Заявленный состав и способ его получения придает композиту новые более высокие показатели защиты от космического воздействия, что позволяет его использовать на высоте от 200 до 700 км, в температурном диапазоне от -130°С до +170°С, при интенсивности ВУФ-излучения 0,5 Вт/м2, при флюенсе АК Ф~7,18·1020 ат/см2 с энергией облучения 20 эВ.

Новый материал позволит расширить номенклатуру полимерных композитов авиационно-космического назначения, упростить технологию изготовления полимерных композитов, увеличить срок службы космического аппарата на низких земных орбитах и уменьшить его весовые характеристики.

1. Композит для защиты от космического воздействия, состоящий из силоксанового наполнителя размером до 1 мкм, отличающийся тем, что дополнительно содержит ударопрочный полистирол при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ударопрочный полистирол 38-46
Силоксановый наполнитель 54-62

2. Способ получения композита по п.1, состоящий из синтеза силоксанового наполнителя (ксерогель метилполисилоксана), растворения ударопрочного полистирола в толуоле, его смешение с порошкообразным наполнителем путем ультразвуковой кавитации при частоте 22 кГц, удаления растворителя и прессования получившейся порошкообразной смеси, отличающийся тем, что полученный раствор нагревают до температуры 115°С и выдерживают в течение 30 мин, после полного удаления растворителя образовавшуюся сухую смесь нагревают до температуры 170°С и выдерживают в течение 20 мин, затем производят прессование композитов методом твердофазного компактирования под высоким удельным давлением 200 МПа.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области разработки материалов, обладающих нейтронопоглощающими свойствами, и может быть использовано в качестве защитного слоя при изготовлении транспортно-упаковочных конструкций (ТУК) для транспортировки и хранения отработанного ядерного топлива, а также для биологической защиты от других случаев нейтронных излучений.

Изобретение относится к лантаноидсодержащим соединениям, состоящим из сополимера этилметакрилата и 3-аллилпентандиона-2,4 (100:1), связанного через -дикетонатную группу с ионом лантаноида (+3), который, в свою очередь, связан с молекулами лиганда, представляющего собой -дикетон, общей формулы где Ln - ион лантаноида (+3) (La 3+, Pr3+, Nd3+ Sm3+, Eu 3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Tm3+, Yb3+ ), n - количество звеньев этилметакрилата в цепи сополимера; m - количество лантаноидсодержащих звеньев в цепи сополимера; R1, R2, R3, R4 - органические радикалы (СН3-метил, С6Н 5-фенил): R1=R2=R3=R 4=СН3 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент пентандион-2,4 (ацетилацетона) и лигандом, представляющим собой ацетилацетон; R1=R 3=СН3, R2=R4=С6 Н5 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент бензоилацетона и лигандом, представляющим собой бензоилацетон; R1=R2=R3 =R4=С6Н5 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент дибензоилметана и лигандом, представляющим собой дибензоилметан; R1 =R3=R4=СН3, R2=С 6Н5 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент бензоилацетона и лигандом, представляющим собой ацетилацетон; R1=R2=С6 Н5, R3=R4=СН3 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент дибензоилметана и лигандом, представляющим собой ацетилацетон; R1=R2=R3=С6Н 5, R4=СН3 - ион лантаноида (+3), связанный с полимерной частью соединения через фрагмент дибензоилметана и лигандом, представляющим собой бензоилацетон.
Изобретение относится к области композиционных пленкообразующих материалов и предназначено для создания тонкослойных полимерных рентгенозащитных покрытий. .
Изобретение относится к материалам для защиты от радиационных излучений, которые могут быть использованы для создания защитной одежды, экранов, облицовки и других изделий.
Изобретение относится к полимерным композициям на основе порошковых вольфрама, железа и полипропилена, которые могут применяться для изготовления конструкционных изделий для биологической защиты от радиоактивных излучений.
Изобретение относится к изготовлению крупногабаритных толстостенных деталей диаметром до 1500 мм толщиной до 500 мм из композиции на основе порошковых вольфрама, железа и полипропилена и предназначено для защиты от радиоактивных излучений при эксплуатации атомных энергетических установок.

Изобретение относится к радиационно-защитным материалам. .

Изобретение относится к изделиям, включающим в себя полотна (ткани), компаунды и пленки (пленочные слои), которые могут обеспечить защиту от вредных воздействий, представляющих угрозу жизни (радиация, химические вещества, биологические агенты, огонь, металлические метательные снаряды).
Изобретение относится к области защиты окружающей среды от ионизирующего излучения. .
Изобретение относится к средствам защиты от радиоактивного излучения и может применяться в производстве контейнеров для хранения радиоактивных материалов, а также изоляции помещений
Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения и может применяться в качестве защиты электронных приборов космического аппарата (КА), работающего на геостационарной орбите, от воздействия поражающего фактора магнитных бурь. Целью изобретения является повышение защитных характеристик по отношению к γ-излучению и потоку высокоэнергетических электронов с сохранением возможности вывода накопленного объемного заряда, расширение температурного диапазона использования, а также повышение прочностных характеристик композита. Композит для защиты от космической радиации, включающий кремнийорганическую жидкость, порошок оксида тяжелого металла, отличающийся тем, что в качестве составляющих компонентов содержит политетрафторэтилен (матрица), а используемую кремнийорганическую жидкость «Пента-808» применяют в качестве модификатора поверхности оксида висмута Bi2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: политетрафторэтилен 37-45, модифицированный оксид висмута Bi2O3 55-63, кремнийорганическая жидкость «Пента-808», взятая по отношению к массе чистого Bi2O3 0,8-1,0. 2 табл.

Изобретение относится к технологии изготовления материалов для защиты от нейтронного излучения. Пастообразный материал для защиты от нейтронного излучения включает консистентную смазку ВНИИНП-293 и порошкообразный бор аморфный в качестве наполнителя при массовом соотношении компонентов (%) 91-97 и 3-9 соответственно, при этом удельная поверхность порошка бора аморфного составляет не менее 15 м2/г. Способ приготовления заявленного материала включает перемешивание консистентной смазки ВНИИНП-293 и наполнителя - порошкообразного бора аморфного в массовом соотношении (%) соответственно 91-97 и 3-9. Техническим результатом является обеспечение сечения поглощения тепловых электронов от 7 до 21 см-1 в зависимости от массового содержания бора (3-9% соответственно); температуры каплепадения не ниже 170°C; вязкости, определяемой капиллярным вискозиметром при плюс 50°C и среднем градиенте скорости деформации 1000 с-1, в пределах 0,3-1,4 Па·с, а при минус 50°C и среднем градиенте скорости деформации 100 с-1 - не более 19 Па·с; коллоидной стабильности при нагрузке 3H (процент выделенного масла) не более 25%; содержания воды менее 0,01%; а также обеспечение возможности с помощью данной композиции заполнять объемы различной конфигурации, в том числе длинные каналы малого сечения (диаметром менее 4 мм), в диапазоне температур от минус 50°C до плюс 50°C. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.
Изобретение относится к полимерной композиции для радиационной защиты электронных приборов, содержащей полимерное связующее, литий и бор в качестве экранирующих наполнителей (агентов), которая может быть использована для изготовления защитных материалов для биологической защиты, в качестве теневой защиты ядерных энергетических установок, аппаратуры ядерно-опасных объектов. Заявленная композиция содержит в качестве связующего полипропилен и/или полиэтилен, а литий и бор в составе соединения тетрагидридобората лития (ТГБЛ) капсулированного при следующем соотношении ингредиентов, % мас.: порошкообразный экранирующий наполнитель -   тетрагидридоборат лития не более 5 полиэтилен и/или полипропилен остальное Предлагаемая композиция обеспечивает повышение эффективности радиационно-защитных свойств и уменьшение образования гамма-квантов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и защите окружающей среды, в частности к средствам для дезактивации почв, зараженных радиоактивными элементами. Средство для дезактивации почв, зараженных радиоактивными элементами, содержит в своем составе поли-N,N-диалкил-3,4-диметиленпирролидиний галогенид общей формулы в которой R1 и R2 означают независимо друг от друга линейный или разветвленный алкил с 1-6 атомами углерода и X означает фтор, хлор, бром, йод или тетрафторборат, причем средняя молекулярная масса полимера составляет от 75000 до 100000 г/моль. Заявлен также способ дезактивации почв, зараженных радиоактивными элементами, с применением указанных средств. Технический результат - заявленное вещество связывает радиоактивные элементы, снижает содержание их водорастворимых форм, продолжительно действует на структуру почв и урожайность, упрощает процесс дезактивации земель, зараженных радиоактивными элементами. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 табл., 6 пр.

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к материалам для защиты от ионизирующего излучения, и предназначено для использования при изготовлении элементов радиационно-защитных экранов. Радиационно-защитный материал на полимерной основе содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама и карбида бора. Изобретение обеспечивает увеличение поглощения ионизирующего излучения. 1 ил., 3 табл., 1 пр.

Изобретение относится к способу получения радиационно-защитного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для изготовления конструкционных изделий радиационной защиты. Способ включает предварительную сушку при температуре 100-130°C порошков сверхвысокомолекулярного полиэтилена, вольфрама и карбида бора. Затем порошки сверхвысокомолекулярного полиэтилена в количестве 32 мас.%, вольфрама - 60 мас.% и карбида бора - 8 мас.% смешивают и подвергают обработке в высокоэнергетичной планетарной мельнице с металлическими мелящими телами, с последующим термопрессованием смеси порошков при температуре 180-200°C и давлении 35-40 МПа. 1 ил., 1 пр.
Наверх