RO131958A2 - Material compozit pentru elemente de structură la vehicule spaţiale, cu proprietăţi ecranante faţă de radiaţiile ionizante şi electromagnetice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un material compozit cu proprietăţi absorbante faţă de radiaţiile ionizante, utilizat pentru fabricarea de elemente de structură la vehicule spaţiale. Materialul conform invenţiei este alcătuit dintr-o matrice polimerică de tip termoplastic sau termorigid în care este dispersată o pulbere micrometrică din materiale grele, cu proprietăţi ecranante faţă de radiaţiile ionizante, armată cu ţesături şi/sau pâsle din fibre de carbon, placat pe ambele feţe cu o folie de aluminiu cu o grosime de 45 μm, având o ecranare electromagnetică de 95...11 dB, în intervalul de frecvenţă 10...4x10Hz, la o grosime de 3 mm şi ecranare la radiaţii ionizante de până la trei ori mai mare comparativ cu aliajele de aluminiu.

Description

Invenția se refera la un material compozit pe baza de rășini epoxidice cu conîinut de metale grele cu proprietăți absorbante fata de radiațiile ionizante, armat cu fibre de carbon si acoperit pe ambele fete cu folie de aluminiu, pentru ecranarea fata de radiațiile ionizate, destinat fabricării elementelor de structura pentru vehicule spațiale.

Se cunosc materiale compozite destinate fabricației de elemente de structura pentru vehicule spațiale, destinate sa înlocuiască aliajele de aluminiu utilizate pe scara larga in prezent. Aceste materiale sunt alcătuite din structuri epoxidice, poliesterice (PEEK) sau poiicondensate (Izocianati) armate cu fibra de carbon, si in funcție de tehnologia de lucru, se Împart in doua categorii:

1. Materiale de tip prepreg fie cu continui de rășini epoxidice cu întăritor activat termic, fie cu materiale policondesate, fie cu materiale termoplaste, destinate fabricării prin tehnologia trageri pe mul cu folie, sub vid, la care sîrucura finala se obține fie utilizând prepreguri de același tip, fie mai multe feluri de prepreg, in vederea obținerii unor performante cat mai bune (raport masa/rigiditate); ecranarea la radiații ionizante se obține prin intercalarea unor folii foarte subțiri din metale cu masa atomica mare (wolfram, terbiu, niobiu). Aceasta tehnologie, deși utilizata pe scara larga de unele firme care construiesc cutii pentru dispozitive electronice destinate fabricației de vehicule spațiale, prezintă dezavantajul limitării in ceea ce privește geometria, deoarece foliile metalice, chiar foarte subțirii (tipic 20 um), nu se pot plia pe structuri complicate.

De asemenea, aceste materiale sunt electroizolanîe ia suprafața, ceea ce nu permite Închiderea si etansarea din punct de vedere electromagnetic, avand astfel caracteristici scăzute de ecranare electromagnetica.

2. Materiale ce se prezintă sub forma de semifabricate (placi sau profile), realizate prin tehnologii cum ar fi presarea la cald sau matritarea calda (pentru compozitele cu suport termoplastic). Aceste materiale prezintă aceeași structura ca si cele realizate din prepreguri, si sunt utilizate in cazul unicatelor, deoarece nu necesita muluri sau matrite, care au preturi mari. De asemenea, aceste materiale sunt electroizolanîe ia suprafața, avand aceleași dezavantaje din punct de vedere al ecranarii electromagnetice ca cele de tip

d).

Problema tehnica pe care o rezolva invenția consta in realizarea unui material compozit care sa îmbine proprietățile mecanice superioare ale compozitelor pe baza de fibre de carbon (densitate cuprinsa intre 1,75 pana 2,1 g em'³, fata de 2,7-2,8 g cm'³), modul Young si rezistenta la rupere superioare aiijalelor de aluminiu (modul Young 150-200 GPa fata de 65-70 GPa pentru aliaje de aluminiu, rezistenta la rupere 1200-1500 MPa, fata de cca 300 MPa pentru aliaje de aluminiu), cu proprietăți de ecranare electromagnetica foarte buna (95-110 dB), suprafețe conductoare din punct de vedere electric sl proprietăți de ecranare la radiații ionizate, fara sa conțină insa folii din metale grele in strucura sa. De aceea, acest tip de material se pretează foarte bine realizării de geometrii complexe prin tehnica prepregurilor sau pun laminare la caid in vederea obținerii de semifabricate.

a 2015 01019

17/12/2015

Materialul compozit destinat fabricației de elemente de structura pentru vehicule spațiale cu proprietăți ecranante fata de radiațiile ionizante si electromagnetice, conform invenției, inlatura dezavantajele menționate mai sus, prin aceea ca este alcătuit dintr-o structura de armare pe baza de tesatura din fibre de carbon si/sau pasia de carbon, plasat intr-o matrice polimerică de tip termorigid sau termoplast, in funcție de tehnologia de fabricație si destinația produsului sau semifabricatului, care conține particule micrometrice (2-5 pm) dispersate uniform, din metale grele (wolfram, terbiu, plumb), cu proprietăți ecranante fata de radiațiile ionizante, si este placat pe ambele fete cu folie de aluminiu cu grosimea de 45 pm.

Avantajele materialului conform invenției sunt următoarele:

- Proprietăți mecanice superioare fata de materialele similare bazate pe aliaje de aluminiu (modul Young 150-200 GPa fata de 65-70 GPa pentru aliaje de aluminiu, rezistenta la rupere 1200-1500 MPa, fata de cca 300 MPa pentru aliaje de aluminiu).

- Densitate mai mica decât cea a aliajelor de aluminiu (densitate cuprinsa intre 1,75 pana 2,1 g cm^J, fata de 2,7-2,8 g em³ pentru aliaje de aluminiu).

- Ambele fete ale materialului sunt conductoare din punct de vedere electric, ceea ce permite realizarea de cofiguratii de ecranare de tip cușca Faraday: asa cum s-a menționat mai sus, materiale compozite similare utilizate in prezent prezintă suprafețe eiectroizolante, ceea ce inrautateste considerabil proprietățile de ecranare electromagnetica.

- Ecranare electromagnetica similara cu cea a aliajelor de aluminiu la aceeași grosime de material (95-110 dB, in intervalul de frecventa 1O⁶-4-1O^îo Hz, la o grosime de 3 mm).

- Ecranare la radiații ionizante pentru nivelul de iradiere corespunzător LEO de pana la 3 mai buna decât a materialelor pe baza de aliaje de aluminiu si similara cu materiale compozite care prezintă folii intercalate din metale grele, la aceeași densitate echivalenta.

Se da in continuare un exemplu de realizare in legătură cu Fig. 1, care reprezintă materialul conform invenției.

Materialul compozit pentru elemente de structura la vehicule spațiale cu proprietăți ecranante fata de radiațiile ionizante si electromagnetice, conform invenției, este alcătuit dintr-o matrice polimerică pe baza de rasina epoxidică de tip EPGLAM 110SX, in care este dispersata o puibere de metale grele constând dintr-un amestec de particule micronice (2-5 pm) din plumb si wolfram in proporție de 5% procente de masa fata rasina si întăritor, armata cu 10 straturi de armatura din tesatura din fibre de carbon, avand greutatea specifica de 90 g/m², si mărginit de doua folii din aluminiu cu grosimea de 45 pm, atacate chimic cu soluție de NaOH 3M timp de 2 minute, pe fata care se învecinează cu matricea polimerică pentru imbunatatirea aderentei si umectabiiitatii fata de rasina lichida la elaborare.

Materialul este realizat sub forma unei placi cu grosimea de 1,8 mm, prin presare libera la caid (120°C timp de 2 h, ia o presiune de 3,5 MPa).

Proprietățile materialului conform invenției, astfel obtinut, sunt următoarele:

- Densitatea: 1,83 g em'³;

a 2015 01019

17/12/2015

- Rezistenta la rupere pe direcția fibrelor: 1500 MPa;

- Modului de elasticitate: 150 GPa;

- Ecranarea electromagnetica, in domeniul de frecventa de frecventa 10⁶4.10'¹⁰ Hz, cca 95 dB;

- Atenuarea radiațiilor ionizante, echivalenta domeniului LEO, masurata prin comparație cu o placa de aluminiu avand aceeași grosime, de cca trei ori mai mare.

- Interval de stabilitate termica: -80 - 120°G.

Măsurătorile efectuate privind ecranarea ia radiații ionizante, la o intensitate echivalenta zonei LEO au demonstrat o capacitate de atenuare de pana la 3 ori mai mare fata de aliajele de aluminiu (tip 2014, 2024, 2090, 2095), si o ecranare electromagnetica similara cu aceea a aliajelor mai sus amintite (95-110 dB, In intervalul de frecventa cerut pentru aceasta aplicație (10⁶-4 10¹°Hz).

Tehnologia de fabricație a acestui material este comuna cu cea a materialelor compozite realizate din prepreguri bazate pe rășini termoplaste, policondensate sau termorigide, constând in tragere pe mul la vid, presare in matrita, sau presare libera la cald. Elaborarea matricei polimerice consta din dispersarea pulberilor de metale grele fie intr-unui dintre constituentii aflati in faza lichida, In cazul matricelor polimerice termorigide sau termoplaste, fie prin dispersarea pulberilor de metale grele in topitură sau prin amestecare cu pulberi din polimeri termoplasici. Folia de aluminiu care mărginește materialul se adauga in ultima etapa a procesului de fabricație, indiferent de metoda de elaborare. Folia este prelucrata pe partea care se învecinează cu matricea polimerică pentru imbunatirea adeziunii, prin atac chimic cu soluție de NaOH 3M. Deoarece folia de aluminiu este maleabila, ea nu limitează in nici un fel geometria produselor obținute din acest material.

Claims (1)

1. Material compozit pentru elemente de structura ia vehicule spațiale cu proprietăți ecranante fata de radiațiile ionizante si electromagnetice, este caracterizat prin aceea ca este alcătuit dintr-o matrice polimerică de tip termopiastic sau termorigid, in care este dispersata o pulbere mlcrometrica din metale grele cu proprietăți ecranante fata de radiațiile ionizante, armata cu tesaturi si/sau pasle din fibre de carbon, placat pe ambele fete cu o folie de aluminiu cu o grosime de 45 pm, care prezintă caracteristice mecanice superioare aliajelor de aluminiu astfel: densitate cuprinsa intre 1,75 pana 2,1 g em'³, modul Young 150-200, rezistenta la rupere 1200-1500 MPa, ecranarea electromagnetica 95-110 dB, in intervalul de frecventa 1Ο⁶-4ΊΟ¹⁰ Hz, 1a o grosime de 3 mm, si ecranare la radiații Ionizante de pana la trei ori mai mare decât in cazul aliajelor de aluminiu.