RU2673336C1 - Полимерный композит для защиты от космической радиации и способ его получения - Google Patents

Полимерный композит для защиты от космической радиации и способ его получения Download PDF

Info

Publication number
RU2673336C1
RU2673336C1 RU2017136496A RU2017136496A RU2673336C1 RU 2673336 C1 RU2673336 C1 RU 2673336C1 RU 2017136496 A RU2017136496 A RU 2017136496A RU 2017136496 A RU2017136496 A RU 2017136496A RU 2673336 C1 RU2673336 C1 RU 2673336C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
protection against
polymer composite
polyimide
radiation
components
Prior art date
Application number
RU2017136496A
Other languages
English (en)
Inventor
Вячеслав Иванович Павленко
Юрий Валентинович Лончаков
Юрий Алексеевич Дерябин
Наталья Игоревна Черкашина
Роман Николаевич Ястребинский
Алексей Юрьевич Дерябин
Алексей Вячеславович Павленко
Владимир Алексеевич Манаев
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова"
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова", Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова"
Priority to RU2017136496A priority Critical patent/RU2673336C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2673336C1 publication Critical patent/RU2673336C1/ru

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/10Organic substances; Dispersions in organic carriers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Processes Of Treating Macromolecular Substances (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области космического материаловедения, в частности к разработкам материалов, обеспечивающих дополнительную защиту элементной базы, отдельных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры от повреждающего воздействия ионизирующего излучения космического пространства. Полимерный композит для защиты от космической радиации включает полимерное связующее и модифицированный висмутсодержащий наполнитель при следующем соотношении компонентов: полиимид - 25-46 мас.%; модифицированный силикат висмута BiSiO- 54-75 мас.%. Способ получения полимерного композита для защиты от космической радиации включает смешение компонентов, загрузку в пресс-форму с дальнейшем нагревом, прессование и отжиг. Изобретение позволяет получить полимерный композит для защиты от космической радиации с широким температурным диапазоном эксплуатации и высокими прочностными характеристиками. 2 н.п. ф-лы.

Description

Изобретение относится к области космического материаловедения, в частности к разработкам материалов, обеспечивающих дополнительную защиту элементной базы, отдельных узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры от повреждающего воздействия ионизирующего излучения космического пространства.
Известна композиция для защиты электронных приборов от воздействия излучений космической среды [Патент RU №2619455, опубликовано 16.05.2017 Бюл. №14], выполненная в виде слоев, каждый из которых представляет собой матрицу из радиационно-стойкого полимерного материала с наполнителем, содержащим один или несколько химических элементов или их соединений. В качестве наполнителя матрицы, обращенной к источнику первичного излучения, использованы соединения бора, а наполнители каждого последующего слоя выбраны из условия возрастания эффективного атомарного номера химического элемента вещества наполнителя, при этом коэффициент ослабления каждого слоя составляет 0,2-0,6.
Недостатком данного изобретения является небольшой температурный диапазон эксплуатации композиции (от -150 до +150°C).
Наиболее близким к предлагаемому решению, принятым за прототип, является композит для защиты от космической радиации [Патент RU 2515493, опубликовано 10.05.2014, Бюл. №13], включающий модифицированный оксид висмута Bi2O3 (модифицированный висмутсодержащий наполнитель) - 55-63%; политетрафторэтилен (полимерное связующее) - 37-45% и кремнийорганическую жидкость «Пента-808» - 0,8-1,0%, взятую по отношению к массе чистого Bi2O3.
Способ получения композита состоит в следующем. На первом этапе изготовления композита синтезируется наполнитель - модифицированный оксид висмута. На следующем этапе происходит смешение компонентов смеси модифицированного висмутсодержащего наполнителя (модифицированный оксид висмута) и полимерного связующего (политетрафторэтилен) и разогрев в пресс-форме до температуры 200°С, подпрессовка материала до Руд.=10 МПа (экспозиция τ=10 мин), подъем давления до максимального Руд.=1200 МПа (τ=1-2 мин), охлаждение пресс-формы под давлением до 100°С, сброс давления. После выпрессовки композит подвергается отжигу при температуре 340°С в течение более 3 часов (продолжительность зависит от толщины изделия, так для 5 мм толщины время составляет 3 ч), с последующим медленным охлаждением до температуры 250°С в течение 1,5-2 часов. Спеченный композит необходимо нагреть до температуры выше 340°С, после чего при поддержании заданной температуры происходит облучение γ-излучением в вакууме (10-2 мм рт. ст.) с источником кобальта-60, мощностью 3-5 Гр/с до интегральной дозы 0,2 МГр.
С существенными признаками изобретения в части вещества совпадает следующая совокупность признаков прототипа: полимерное связующее и модифицированный висмутсодержащий наполнитель. В части способа: смешение компонентов, загрузка в пресс-форму с дальнейшим нагревом, прессование и отжиг.
Недостатком известного прототипа является небольшой температурный диапазон эксплуатации композита от -170 до +270°С, а также низкие прочностные характеристики при достаточно высокой (4180-4500 кг/м3) плотности, необходимость γ-модифицирования готовых изделий для устранения высокой ползучести и низкой радиационной стойкости, что является опасным технологическим процессом и требует дополнительной защиты персонала от ионизирующего излучения.
Задачей предлагаемого изобретения является получение полимерного композита для защиты от космической радиации с широким температурным диапазоном эксплуатации композита и высокими прочностными и радиационно-стойкими характеристиками при его минимальной плотности.
Это достигается тем, что полимерный композит для защиты от космической радиации включает полимерное связующее и модифицированный висмутсодержащий наполнитель. В качестве полимерного связующего используется полиимид, в качестве модифицированного висмутсодержащего наполнителя - силикат висмута Bi12SiO20 при следующем соотношении компонентов: полиимид - 25-46 мас.%; модифицированный силикат висмута Bi12SiO20 - 54-75 мас. %.
Способ получения полимерного композита для защиты от космической радиации включает смешение компонентов в струйно-вихревой мельнице в течение не менее 17 мин, нагрев до 350-360°C с дальнейшем поддержанием такой температуры не менее 45 мин, прессование методом горячего прессования при давлении 80 МПа, отжиг при температуре 250-260°С не менее 60 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый полимерный композит для защиты от космической радиации отличается тем, что в качестве полимерного связующего используется полиимид, в качестве модифицированного висмутсодержащего наполнителя - силикат висмута Bi12SiO20 при следующем соотношении компонентов, мас. %: полиимид - 25-46, модифицированный силикат висмута Bi12SiO20 - 54-75. В части способа - отличается тем, что смешение компонентов происходит в струйно-вихревой мельнице в течение не менее 17 мин, нагрев осуществляется до 350-360°C с дальнейшем поддержанием такой температуры не менее 45 мин, прессование осуществляют методом горячего прессования при давлении 80 МПа, отжиг происходит при температуре 250-260°С не менее 60 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры.
Таким образом, заявляемые технические решения соответствуют критерию изобретения «новизна».
Сравнение заявляемых решений не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области технике не подтвердило наличие в последних признаков, совпадающих с их отличительными признаками, или признаков, влияющих на достижение указанного технического результата. Это позволило сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».
ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ КОМПОНЕНТОВ
1. В качестве полимерного связующего используется полиимид, который представляет собой пресс-порошок марки ПИ-ПР-20 плотностью 1,42 г/см3. Радиационная стойкость - 108 Гр, термостойкость - до 500°С, криогенная стойкость - до -200°С, механическая прочность при растяжении - 100 МПа [Бессонов М.И., Котон М.М., Кудрявцев В.В., Лайус Л.А. Полиимиды - класс термостойких полимеров. Л.: Наука, 1983, С. 102, С. 151, С. 222-223].
2. В качестве модифицированного висмутсодержащего наполнителя используется модифицированный силикат висмута Bi12SiO20, который представляет собой высокодисперсный порошок кристаллического соединения и может быть получен следующим образом: пятиводный нитрат висмута Bi(NO3)3⋅5H2O (марка осч, ТУ 6-09-02-488-90) в количестве 84 г растворяется при комнатной температуре в 200 мл ацетона (марка хч, ТУ 2633-018-44493179-98). В полученный раствор при непрерывном перемешивании (3000 об/мин) добавляется 100 мл кремнийорганической жидкости в виде водно-спиртового раствора метилсиликоната натрия (ТУ 6-02-696-76). Суспензия перемешивается в течение 5 мин. Осадок центрифугируется (7000 об/мин), промывается дистиллированной водой (ГОСТ 6709-72) до отсутствия следов ионов Na+и термообрабатывается при 300°С. Выход готового продукта составляет 50,7 г, с размером частиц 0,10-0,19 мкм и гидрофобными свойствами.
Оптимальное соотношение компонентов, выраженное в их процентном содержании, определяли экспериментальным путем. В процессе исследования приготовили 5 составов полимерного композита для изучения его свойств. Количественное содержание компонентов предлагаемого полимерного композита и прототипа приведено в табл. 1.
Figure 00000001
Смешение полиимида и модифицированного силиката висмута Bi12SiO20 осуществлялось в струйно-вихревой мельнице (модель ВСМ-10) в течение не менее 17 мин. В мельницу загружали пресс-порошок полиимида 18-46 мас.% и модифицированный силикат висмута 54-82 мас. %. При помоле не менее 17 мин происходит механоактивация порошкообразной смеси в непрерывном режиме. Об этом свидетельствует резкое снижение интенсивности в ЭПР-спектре парамагнитных центров (ПМЦ) кремниевого (≡Si•)-типа (g=2,001) и кислородного (-O•)-типа (g=2,002; 2,006) для силиката висмута в присутствии в композите полиимид - модифицированный силикат висмута. Механоактивация полиимида и модифицированного силиката висмута является эффективным методом физико-химического взаимодействия данных фаз с участием свободных радикалов, что позволило значительно увеличить прочностные характеристики полученного композита.
После совместного помола полиимида и модифицированного силиката висмута полученную смесь загружали в стальную пресс-форму из нержавеющей стали Х18Н10Т и нагревали до 350-360°C с дальнейшем поддержанием такой температуры в течение не менее 45 мин. Использование температуры 350-360°С необходимо для полного плавления пресс-порошка полиимида и образования гомогенного расплава, при меньшей температуре 350°С не происходит полное плавление полиимида, а при большей 360°С температуре начинается частичное разложение полиимида. Далее гомогенный расплав прессовали методом горячего прессования при давлении 80 МПа. Выбор давления прессования в 80 МПа обусловлен тем, что при данном давлении происходило наиболее интенсивное уплотнение порошкообразной смеси. Дальнейшее увеличение давления не приводило к заметному увеличению плотности готовых полимерных композитов.
После выпрессовки образцы полимерных композитов подвергались отжигу при температуре 250-260°С в течение не менее 60 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры. Отжиг полимерного композита способствует рекристаллизации материала, позволяя получить оптимальную кристаллическую надмолекулярную структуру полиимида, что способствует значительному повышению плотности готового полимерного композита и его температурного диапазона эксплуатации. Отжиг при температуре менее 250°С не приводит к рекристаллизации полиимида, а при температуре более 260°С начинается размягчение полиимида, а при дальнейшем увеличении температуры приводит к плавлению всего композита и потере его геометрических параметров.
В табл. 2 представлены данные по физико-механическим характеристикам и радиационной стойкости предлагаемых составов и прототипа. Радиационная стойкость полимерного композита оценивалась по уменьшению прочности при растяжении композита в 2 раза, подвергнутого облучению потоком быстрых электронов в вакууме (Р=1,4⋅10-4 Па) с энергией 5 МэВ (мощность пучка 1,5 кГр/с) на СВЧ-ускорителе электронов «Радуга».
В результате экспериментов было установлено, что достижения поставленного технического результата в состав предлагаемого полимерного композита должны присутствовать компоненты в следующем соотношении: полиимид - 25-46 мас.%; модифицированный силикат висмута - 54-75 мас. % (составы №2, 3, 4, 5). При 18 мас.% и меньше (состав №1) полиимида в составе полимерного композита для защиты от космической радиации значительно ухудшались его физико-механические характеристики, оцениваемые по прочности при растяжении и прочности при изгибе (табл. 2), так как при малом содержании связующего - полиимида не происходит скрепление наполнителя - модифицированного силиката висмута.
Рассмотрим способ получения полимерного композита на примере состава 3 (табл. 1). В струйно-вихревую мельницу (модель ВСМ-10) загрузили 32 г полиимида и 68 г модифицированного силиката висмута и смешивали в течение 17 мин.
Figure 00000002
Полученную смесь загрузили в стальную пресс-форму и нагревали до 350°C с дальнейшем поддержанием такой температуры в течение 45 мин. Полученный гомогенный расплав прессовали методом горячего прессования при давлении 80 МПа.
На следующем этапе спрессованные образцы полимерных композитов подвергались отжигу при температуре 250°С в течение 60 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры.
Полученные данные показывают, что заявляемый полимерный композит обладает более высокими прочностными и радиационно-стойкими характеристиками и меньшей плотностью, а также более широким температурным диапазоном эксплуатации в сравнении с прототипом.
Предложенное решение позволяет увеличить температурный диапазон эксплуатации композита, увеличить его прочностные и радиационно-стойкие характеристики при меньшей плотности в сравнении с прототипом за счет предлагаемого состава и способа, использования механоактивации с последующей формовкой композитов методом горячего прессования, что приводит к значительному усилению физико-химических взаимодействий в системе «полимер-наполнитель». На активированной поверхности силиката висмута происходит ориентация активированных при механическом воздействии молекул полиимида, что приводит к ускорению процессов отверждения и в конечном итоге позволяет значительно увеличить физико-механические характеристики полученного композита.
Преимущества предлагаемого полимерного композита заключаются в следующем:
- расширен температурный диапазон использования полимерного композита для защиты от космической радиации от -190 до 420°С;
- композит обладает повышенными физико-механическими характеристиками в отличие от прототипа, а именно: прочность при растяжении предлагаемого полимерного композита для защиты от космической радиации более чем в 10 раз больше, чем у прототипа, а прочность при изгибе более чем в 3 раза;
- композит обладает повышенной радиационной стойкостью более чем в 8 раз больше, чем у прототипа;
- композит обладает меньшей плотностью, чем прототип, что позволит создавать элементы космических летательных аппаратов с улучшенными энергомассовыми характеристиками.
Таким образом, использование предложенного состава полимерного композита и предлагаемый способ его получения позволяет получить полимерному композиту новые более высокие показатели защиты от космической радиации.

Claims (3)

1. Полимерный композит для защиты от космической радиации, включающий полимерное связующее и модифицированный висмутсодержащий наполнитель, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего используется полиимид, в качестве модифицированного висмутсодержащего наполнителя - силикат висмута Bi12SiO20 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полиимид 25-46 модифицированный силикат висмута Bi12SiO20 54-75
2. Способ получения полимерного композита по п.1, включающий смешение компонентов, загрузку в пресс-форму с дальнейшем нагревом, прессование и отжиг с последующим охлаждением, отличающийся тем, что смешение компонентов происходит в струйно-вихревой мельнице в течение не менее 17 мин, нагрев осуществляется до 350-360°C с дальнейшем поддержанием такой температуры не менее 45 мин, прессование осуществляют методом горячего прессования при давлении 80 МПа, отжиг происходит при температуре 250-260°C не менее 60 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры.
RU2017136496A 2017-10-16 2017-10-16 Полимерный композит для защиты от космической радиации и способ его получения RU2673336C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017136496A RU2673336C1 (ru) 2017-10-16 2017-10-16 Полимерный композит для защиты от космической радиации и способ его получения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017136496A RU2673336C1 (ru) 2017-10-16 2017-10-16 Полимерный композит для защиты от космической радиации и способ его получения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2673336C1 true RU2673336C1 (ru) 2018-11-26

Family

ID=64556504

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017136496A RU2673336C1 (ru) 2017-10-16 2017-10-16 Полимерный композит для защиты от космической радиации и способ его получения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2673336C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2719682C1 (ru) * 2019-07-16 2020-04-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" Многослойный полимер-углеродный композит для защиты от космического воздействия и способ его получения

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU416761A1 (ru) * 1972-05-29 1974-02-25
RU2187855C2 (ru) * 1998-11-06 2002-08-20 Ньюресселл, Инк. Стойкая к радиации термореактивная композиция
US20050258404A1 (en) * 2004-05-22 2005-11-24 Mccord Stuart J Bismuth compounds composite
US20070122543A1 (en) * 2005-11-29 2007-05-31 Yanoff Brian D Particle-in-binder X-ray sensitive coating using polyimide binder
RU2515493C1 (ru) * 2012-11-12 2014-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" Композит для защиты от космической радиации

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU416761A1 (ru) * 1972-05-29 1974-02-25
RU2187855C2 (ru) * 1998-11-06 2002-08-20 Ньюресселл, Инк. Стойкая к радиации термореактивная композиция
US20050258404A1 (en) * 2004-05-22 2005-11-24 Mccord Stuart J Bismuth compounds composite
US20070122543A1 (en) * 2005-11-29 2007-05-31 Yanoff Brian D Particle-in-binder X-ray sensitive coating using polyimide binder
RU2515493C1 (ru) * 2012-11-12 2014-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" Композит для защиты от космической радиации

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.В.ПАВЛЕНКО и др. Расчет коэффициентов пропускания быстрых электронов при прохождении через полимерный полиимидный композиционный материал, наполненный силикатом висмута, #5, 28.04.2017. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2719682C1 (ru) * 2019-07-16 2020-04-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" Многослойный полимер-углеродный композит для защиты от космического воздействия и способ его получения

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zheng et al. Gelatin/montmorillonite hybrid nanocomposite. I. Preparation and properties
DE10359269B4 (de) Verwendung hydroxylgruppenhaltiger Phosphinate als und zur Herstellung von Flammschutzmitteln, die sich zur Einbindung in Polymerharze eignen oder als Bestandteil flammgeschützter Polymere, mit diesen Phosphinaten hergestellte neue Phosphinate mit organisch polymerisierbaren Gruppen, deren Herstellung sowie Verwendung in flammgeschützten Polymerharzen
DE2708635C2 (ru)
KR101145703B1 (ko) 방사선 차폐 시트
Tcherbi-Narteh et al. Thermal stability and degradation of diglycidyl ether of bisphenol A epoxy modified with different nanoclays exposed to UV radiation
EP2408846B1 (de) Hybridpolymere aus cyanaten und silazanen, verfahren zu ihrer herstellung sowie deren verwendung
KR100977689B1 (ko) 난연제 및 난연성 수지 조성물
EP0889484A2 (de) Verfahren zur Imprägnierung von elektrischen Spulen und ausgewählte Epoxidharzzusammensetzung zur Durchführung der Imprägnierung
RU2673336C1 (ru) Полимерный композит для защиты от космической радиации и способ его получения
Wang et al. Preparation and radiation shielding properties of Gd2O3/PEEK composites
Sánchez et al. Influence of BaTiO3 submicrometric particles on the structure, morphology, and crystallization behavior of poly (vinylidene fluoride)
Mohan et al. Rheology and curing characteristics of epoxy–clay nanocomposites
Weng et al. Flame retardancy and thermal properties of organoclay and phosphorous compound synergistically modified epoxy resin
Zhang et al. Flame retardancy and mechanical properties of polyamide 6 with melamine polyphosphate and ionic liquid surfactant‐treated montmorillonite
Fox et al. The pillaring effect of the 1, 2-dimethyl-3 (benzyl ethyl iso-butyl POSS) imidazolium cation in polymer/montmorillonite nanocomposites
Entezam et al. Physicomechanical and antimicrobial characteristics of hydrogel based on poly (vinyl alcohol): performance improvement via inclusion of chitosan‐modified nanoclay
Dadbin et al. Poly (lactic acid)/layered silicate nanocomposite films: morphology, mechanical properties, and effects of γ‐radiation
Khan et al. Surface treatment of phosphate glass fibers using 2‐hydroxyethyl methacrylate: Fabrication of poly (caprolactone)‐based composites
Al‐Sehemi et al. Natural rubber–based composites filled with bioglasses from a CaO‐SiO2‐P2O5‐Ag2O system. Effect of Ag2O concentration in the filler on composite properties
CA1303621C (en) Method for cross-linking organopolysilane polymers
RU2515493C1 (ru) Композит для защиты от космической радиации
Sundaramoorthy et al. Investigation of thermal and mechanical properties of polybenzoxazine obtained in an in situ polymerization with surface‐modified montmorillonite clay
Chen et al. Preparation and properties study of thermally conductive epoxy/modified boron nitride/graphene nanosheets composites
DE102011051773A1 (de) Polysiloxan-modifiziertes Resolharz, daraus erhältliche Formkörper und Komposite sowie Verfahren zum Herstellen des Harzes, der Formkörper und der Komposite
Śliwa et al. Flame resistant hybrid epoxy composites