RU2719682C1 - Multilayer polymer-carbon composite for protection against space impact and method for production thereof - Google Patents
Multilayer polymer-carbon composite for protection against space impact and method for production thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2719682C1 RU2719682C1 RU2019122918A RU2019122918A RU2719682C1 RU 2719682 C1 RU2719682 C1 RU 2719682C1 RU 2019122918 A RU2019122918 A RU 2019122918A RU 2019122918 A RU2019122918 A RU 2019122918A RU 2719682 C1 RU2719682 C1 RU 2719682C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- multilayer polymer
- carbon
- carbon composite
- polyimide
- modified
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
- G21F1/12—Laminated shielding materials
Abstract
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 космического воздействия, в том числе от микрометеоритных и техногенных частиц при долговременных орбитальных полетах, электронного- и гамма-излучения, а также от перегрева аппаратуры вызванного Солнечным излучением.The invention relates to the field of space materials science, in particular to the development of materials that provide additional protection for the element base, individual components and blocks of electronic equipment from damaging space effects, including from micrometeorite and man-made particles during long-term orbital flights, electronic and gamma radiation, as well as from overheating of equipment caused by solar radiation.
Известно радиационно-защитное покрытие радиоэлектронной аппаратуры [Патент RU №2605608, опубл. 27.12.2016, Бюл. №36], содержащее переходный металл шестого периода Периодической системы химических элементов, постпереходный металл шестого периода Периодической системы химических элементов и/или лантаноид и поглощающее вещество, содержащее химический элемент с атомным номером меньшим, чем у упомянутых химических элементов. Радиационно-защитное покрытие состоит из множества чередующихся слоев из частиц по меньшей мере одного переходного металла шестого периода Периодической системы химических элементов, постпереходного металла шестого периода Периодической системы химических элементов и/или лантаноида и из упомянутого поглощающего вещества. Изобретение позволяет обеспечить оптимальную защиту элементной базы от естественных ионизирующих излучений космического пространства.Known radiation-protective coating of electronic equipment [Patent RU No. 2606060, publ. 12/27/2016, Bull. No. 36], containing a transition metal of the sixth period of the Periodic system of chemical elements, a post-transition metal of the sixth period of the Periodic system of chemical elements and / or lanthanide and an absorbing substance containing a chemical element with an atomic number lower than that of the mentioned chemical elements. The radiation-protective coating consists of a plurality of alternating layers of particles of at least one transition metal of the sixth period of the Periodic system of chemical elements, a post-transition metal of the sixth period of the Periodic system of chemical elements and / or lanthanide, and of said absorbent material. The invention allows to provide optimal protection of the elemental base from natural ionizing radiation of outer space.
Недостатком данного изобретения являются низкие светоотражательные характеристики, что приводит к значительному перегреву радиоэлектронной аппаратуры.The disadvantage of this invention is the low reflective characteristics, which leads to a significant overheating of electronic equipment.
Известно радиационно-защитное терморегулирующее покрытие для космических аппаратов [Патент RU №2554183, опубл. 27.06.2015, Бюл. №18], включающее верхний слой покрытия, содержащее в качестве связующего водный раствор литиевого жидкого стекла, наполнители BaSO4, Ва(AlO2)2, отличающееся тем, что дополнительно содержит нижний слой покрытия, состоящий из водного раствора литиевого жидкого стекла и наполнителей порошок Bi2O3 и порошок BaWO4, в массовых частях:Known radiation-protective thermal control coating for spacecraft [Patent RU No. 2554183, publ. 06/27/2015, Bull. No. 18], comprising an upper coating layer containing an aqueous solution of lithium liquid glass as a binder, BaSO 4 , Ba (AlO 2 ) 2 fillers, characterized in that it further comprises a lower coating layer consisting of an aqueous solution of lithium liquid glass and powder fillers Bi 2 O 3 and BaWO 4 powder, in bulk parts:
Нижний слой:Bottom layer:
Верхний слой:Upper layer:
Недостатком данного изобретения являются невысокие физико-механические характеристики, что не позволяет эффективно осуществлять защиту от микрометеоритных и техногенных частиц при долговременных орбитальных полетах в космическом пространстве.The disadvantage of this invention is the low physical and mechanical characteristics, which does not allow to effectively protect against micrometeorite and technogenic particles during long-term orbital flights in outer space.
Наиболее близким к предлагаемому решению, принятым за прототип, является полимерный композит для защиты от космической радиации и способ его получения [Патент RU 2673336, опубл. 26.11.2018, Бюл. №33], включающий полиимид (полиимидное связующее) - 25-46% и модифицированный силикат висмута Bi12SiO20 (модифицированный наполнитель) - 54-75%.Closest to the proposed solution adopted as a prototype is a polymer composite for protection against cosmic radiation and a method for its production [Patent RU 2673336, publ. 11/26/2018, Bull. No. 33], including polyimide (polyimide binder) - 25-46% and modified bismuth silicate Bi 12 SiO 20 (modified filler) - 54-75%.
Способ получения композита состоит в следующем. Синтезируется наполнитель - модифицированный силикат висмута Bi12SiO20 (модифицированный наполнитель). Смешение полиимида (полиимидное связующее) и модифицированного силиката висмута Bi12SiO20 (модифицированный наполнитель) осуществляется в струйно-вихревой мельнице (модель ВСМ-10) в течение не менее 17 мин, затем полученную смесь загружают в стальную пресс-форму из нержавеющей стали Х18Н10Т и нагревают до 350-360°C с дальнейшим поддержанием такой температуры в течение не менее 45 мин. Далее гомогенный расплав прессуют методом горячего прессования при давлении 80 МПа. После выпрессовки образцы полимерных композитов подвергаются отжигу при температуре 250-260°С в течение не менее 60 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры.A method of producing a composite is as follows. A filler is synthesized - a modified bismuth silicate Bi 12 SiO 20 (modified filler). The mixture of polyimide (polyimide binder) and modified bismuth silicate Bi 12 SiO 20 (modified filler) is carried out in a jet-vortex mill (model BCM-10) for at least 17 minutes, then the resulting mixture is loaded into a steel mold from stainless steel X18H10T and heated to 350-360 ° C with further maintaining this temperature for at least 45 minutes Next, a homogeneous melt is pressed by hot pressing at a pressure of 80 MPa. After pressing out, samples of polymer composites are annealed at a temperature of 250-260 ° C for at least 60 minutes, followed by cooling to room temperature.
С существенными признаками изобретения в части вещества совпадает следующая совокупность признаков прототипа: полиимидное связующее и модифицированный наполнитель. В части способа: смешение компонентов, загрузка в пресс-форму с дальнейшим нагревом, прессование и отжиг.The following features of the prototype coincide with the essential features of the invention in terms of substance: a polyimide binder and a modified filler. In terms of the method: mixing the components, loading into the mold with further heating, pressing and annealing.
Недостатком известного прототипа являются невысокие радиационно-защитные характеристики, обусловленные низкой плотностью полимерного композита, а также низкие защитные свойства от механических воздействий микрометеоритных частиц в условиях космического пространства, обусловленные низкими физико-механическими характеристиками.A disadvantage of the known prototype is the low radiation-protective characteristics due to the low density of the polymer composite, as well as low protective properties from the mechanical effects of micrometeorite particles in outer space, due to the low physical and mechanical characteristics.
Изобретение направлено на получение многослойного полимер-углеродного композита для защиты от космического воздействия с высокими физико-механическими, радиационно-защитными и светоотражательными характеристиками.The invention is directed to a multilayer polymer-carbon composite for protection against space exposure with high physical, mechanical, radiation-protective and reflective characteristics.
Это достигается тем, что многослойный полимер-углеродный композит для защиты от космического воздействия, включает полиимид, в качестве модифицированного наполнителя содержит модифицированный диоксид вольфрама WO2; два слоя углеродной ткани-полотна, керамическое покрытие на основе α-Al2O3, покрытие из металлического молибдена при следующем соотношении компонентов, мас.%:This is achieved by the fact that the multilayer polymer-carbon composite for protection against cosmic influences includes polyimide; it contains modified tungsten dioxide WO 2 as a modified filler; two layers of carbon fabric cloth, a ceramic coating based on α-Al 2 O 3 , a coating of metal molybdenum in the following ratio of components, wt.%:
Способ получения многослойного полимер-углеродного композита включает смешение полиимида и модифицированного диоксида вольфрама, армирование углеродной тканью-полотном с нижней стороны пресс-формы, затем загружают смесь полиимида и модифицированного диоксида вольфрама, производят армирование углеродной тканью-полотном сверху смеси с дальнейшим нагревом, прессование и отжиг с последующим охлаждением, затем осуществляют очистку охлажденного композита в ультразвуковой ванне с ацетоном в течение не менее 15 мин, наносят керамическое покрытие на основе α-Al2O3 методом детонационного газотермического напыления в течение 15-27 мин при скорости истечения порошка не менее 1600 м/сек, напыляют покрытие из металлического молибдена методом дуального магнетронного распыления в течение 15-25 мин с частотой вращения предметного стола до 25 об/мин.A method for producing a multilayer polymer-carbon composite comprises mixing polyimide and modified tungsten dioxide, reinforcing with a carbon cloth on the lower side of the mold, then loading a mixture of polyimide and modified tungsten dioxide, reinforcing with a carbon cloth-cloth on top of the mixture with further heating, pressing and annealing followed by cooling, then the cooled composite is cleaned in an ultrasonic bath with acetone for at least 15 minutes, and ceramic α-Al 2 O 3 -based coating by the method of detonation gas-thermal spraying for 15-27 min at a powder outflow rate of at least 1600 m / s, a coating of metal molybdenum is sprayed by the dual magnetron sputtering method for 15-25 min with the speed of the object table up to 25 rpm
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый многослойный полимер-углеродный композит для защиты от космического воздействия отличается тем, что в качестве модифицированного наполнителя содержит модифицированный диоксид вольфрама WO2, дополнительно включает два слоя углеродной ткани-полотна, керамическое покрытие на основе α-Al2O3, покрытие из металлического молибдена при следующем соотношении компонентов, мас.%: полиимид - 17,75-24,55 мас.%; модифицированный диоксид вольфрама WO2 - 36,83-50,54 мас.%; углеродная ткань-полотно - 1,59-1,94 мас.%; керамическое покрытие на основе α-Al2O3 - 13,29-16,21 мас.%; покрытие из металлического молибдена - 16,83-20,47 мас.%.Comparative analysis with the prototype shows that the inventive multilayer polymer-carbon composite for protection against space exposure is characterized in that it contains modified tungsten dioxide WO 2 as a modified filler, additionally includes two layers of carbon fabric cloth, a ceramic coating based on α-Al 2 O 3 , a coating of metal molybdenum in the following ratio of components, wt.%: Polyimide - 17.75-24.55 wt.%; modified tungsten dioxide WO 2 - 36.83-50.54 wt.%; carbon fabric-web - 1.59-1.94 wt.%; ceramic coating based on α-Al 2 O 3 - 13.29-16.21 wt.%; a coating of metallic molybdenum - 16.83-20.47 wt.%.
В части способа - отличается тем, что сначала производят армирование углеродной тканью-полотном с нижней стороны пресс-формы, затем загружают смесь полиимида и модифицированного диоксида вольфрама, производят армирование углеродной тканью-полотном сверху смеси; осуществляют очистку охлажденного композита в ультразвуковой ванне с ацетоном в течение не менее 15 мин; наносят керамическое покрытие на основе α-Al2O3 методом детонационного газотермического напыления в течение 15-27 мин при скорости истечения порошка не менее 1600 м/сек; напыляют покрытие из металлического молибдена методом дуального магнетронного распыления в течение 15-25 мин с частотой вращения предметного стола до 25 об/мин.In terms of the method, it is characterized in that they first reinforce with a carbon cloth on the bottom side of the mold, then load a mixture of polyimide and modified tungsten dioxide, and reinforce the carbon cloth on top of the mixture; cleaning the cooled composite in an ultrasonic bath with acetone for at least 15 minutes; apply a ceramic coating based on α-Al 2 O 3 by the method of detonation gas-thermal spraying for 15-27 min at a powder flow rate of at least 1600 m / s; a molybdenum metal coating is sprayed using the dual magnetron sputtering method for 15-25 minutes with a rotational speed of the object table of up to 25 rpm.
Таким образом, заявляемые технические решения соответствуют критерию изобретения «новизна».Thus, the claimed technical solutions meet the criteria of the invention of "novelty."
Сравнение заявляемых решений не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области техники 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».Comparison of the claimed solutions not only with the prototype, but also with other well-known technical solutions in this technical field did not confirm the presence in the latter features that coincide with their distinctive features, or signs that affect the achievement of the specified technical result. This allowed us to conclude that the invention meets the criterion of "inventive step".
ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ КОМПОНЕНТОВCHARACTERISTICS OF USED COMPONENTS
1. В качестве полиимидного связующего используется полиимид, который представляет собой пресс-порошок марки ПИ-ПР-20 плотностью 1,42 г/см3. Радиационная стойкость - 108 Гр, термостойкость - до 500°, криогенная стойкость - до -200°С, механическая прочности 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].1. As the polyimide binder, a polyimide is used, which is a press powder of the brand PI-PR-20 with a density of 1.42 g / cm 3 . Radiation resistance - 10 8 Gy, heat resistance - up to 500 °, cryogenic resistance - up to -200 ° C, mechanical tensile strength - 100 MPa [Bessonov MI, Koton MM, Kudryavtsev VV, Laius L .AND. Polyimides are a class of heat-resistant polymers. L .: Nauka, 1983, S. 102, S. 151, S. 222-223].
2. В качестве модифицированного наполнителя используется диоксид вольфрама (WO2) модифицированный гидрофобизирующей кремнийорганической жидкостью ГКЖ-136-41, ([ГОСТ 10834-76 Жидкость гидрофобизирующая 136-41. Технические условия (с Изменениями N 1, 2, 3), изд-во Стандартов, 1977, 50 с.]), который может быть получен следующим образом: готовится раствор гидрофобизирующей кремнийорганической жидкости ГКЖ-136-41 в количестве 0,87 г в 0,41 г ксилола. Смесь из 42,66 г. диоксида вольфрама (WO2) (высокодисперсный коричневый порошок с размерами кристаллов 2-40 мкм. Плотность 12,1 г/см3, температура плавления - 1530°С [Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. - Мн.: Современная школа, 2005, С. 139]) и 1,28 г приготовленного раствора перемешивается в течение 10 мин. После чего полученная смесь высушивается при температуре 150°С в течение 90 мин.2. As a modified filler, tungsten dioxide (WO 2 ) modified with hydrophobizing organosilicon liquid GKZH-136-41, ([GOST 10834-76 Hydrophobizing liquid 136-41. Technical conditions (as Amended by N 1, 2, 3), ed. in Standards, 1977, 50 pp.]), which can be obtained as follows: preparing a solution of hydrophobizing organosilicon liquid GKZH-136-41 in an amount of 0.87 g in 0.41 g of xylene. A mixture of 42.66 g of tungsten dioxide (WO 2 ) (fine brown powder with a crystal size of 2-40 microns. Density 12.1 g / cm 3 , melting point - 1530 ° C [Volkov AI, Zharsky I. M. Big chemical reference book. - Mn .: Sovremennaya shkola, 2005, S. 139]) and 1.28 g of the prepared solution is mixed for 10 minutes. After which the resulting mixture is dried at a temperature of 150 ° C for 90 minutes
3. Для армирования использовали углеродную ткань-полотно-1000-3К-240, Ст-12048 изготавливаемая по ТУ 1916-008-61664530-2011. Представляет собой двунаправленную углеродную ткань плотностью 240 гр/м2 переплетения plain (плейн), количество филаментов - 3К.3. For reinforcement used carbon fabric-cloth-1000-3K-240, St-12048 manufactured according to TU 1916-008-61664530-2011. It is a bidirectional carbon fabric with a density of 240 g / m 2 plain weave (plein), the number of filaments is 3K.
4. Для нанесения керамического покрытия на основе α-AlO3 использовали керамический порошок оксида алюминия - Al2O3 (AMPERIT® 740.0 производства фирмы Praxair Technolgies Inc) дисперсностью 5-25 мкм; характеристики указаны в [http://www.flamespraytech.ru/materials/powders/ceramics].4. For the application of a ceramic coating based on α-AlO 3 , a ceramic powder of aluminum oxide — Al 2 O 3 (AMPERIT® 740.0 manufactured by Praxair Technolgies Inc) with a dispersion of 5–25 μm was used; specifications are given in [http://www.flamespraytech.ru/materials/powders/ceramics].
5. Для создания покрытия из металлического молибдена использовали мишени из металлического молибдена (Мо) чистотой 99,999% и плотностью 10,2 г/см3. [http://www.magnetron1.ru/misheni-iz-molibdena-po-spetsifikatsii-lmt-12.html].5. To create a coating of metallic molybdenum, targets of metallic molybdenum (Mo) with a purity of 99.999% and a density of 10.2 g / cm 3 were used . [http://www.magnetron1.ru/misheni-iz-molibdena-po-spetsifikatsii-lmt-12.html].
Оптимальное соотношение компонентов, выраженное в их процентном содержании, определяли экспериментальным путем. В процессе исследования приготовили 5 составов многослойного полимер-углеродного композита для изучения его свойств. Количественное содержание компонентов предлагаемого многослойного полимер-углеродного композита и прототипа приведено в табл. 1.The optimal ratio of components, expressed in their percentage, was determined experimentally. In the course of the study, 5 compositions of a multilayer polymer-carbon composite were prepared to study its properties. The quantitative content of the components of the proposed multilayer polymer-carbon composite and prototype are given in table. 1.
Смешивание полиимида и модифицированного диоксида вольфрама производилось в течение не менее 23 мин. В мельницу загружали порошок полиимида 13,76-27,58 мас.% и модифицированный диоксид вольфрама (WO2) 30,96-58,59 мас.%. При помоле не менее 23 мин происходит смешение с одновременной механоактивацией порошкообразной смеси, что позволило значительно увеличить прочностные характеристики полученного многослойного полимер-углеродного композита.The polyimide and modified tungsten dioxide were mixed for at least 23 minutes. Polymide powder 13.76-27.58 wt.% And modified tungsten dioxide (WO 2 ) 30.96-58.59 wt.% Were loaded into the mill. When grinding for at least 23 minutes, mixing occurs with simultaneous mechanical activation of the powder mixture, which significantly increased the strength characteristics of the obtained multilayer polymer-carbon composite.
Далее в стальную пресс-форму из нержавеющей стали Х18Н10Т укладывали один слой углеродной ткани-полотна (размеры соответствовали размерам пресс-формы), затем засыпали полученную смесь полиимида и модифицированного наполнителя (WO2), сверху помещали еще один слой углеродной ткани-полотна (размеры соответствовали размерам пресс-формы) и нагревали до 350-360°C с дальнейшим поддержанием такой температуры в течение не менее 45 мин. Прессовали методом горячего прессования при давлении 80 МПа. После выпрессовки подвергали отжигу при температуре 250-260°С в течение не менее 60 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры, (подробное описание методики нагрева, прессования, выпрессовки и отжига описано в прототипе).Next, one layer of carbon cloth-cloth was laid in a steel mold from X18H10T stainless steel (dimensions corresponded to the dimensions of the mold), then the resulting mixture of polyimide and modified filler (WO 2 ) was poured, another layer of carbon cloth-cloth was placed on top (dimensions corresponded to the dimensions of the mold) and was heated to 350-360 ° C with further maintaining this temperature for at least 45 minutes. Extruded by hot pressing at a pressure of 80 MPa. After pressing out, they were annealed at a temperature of 250-260 ° C for at least 60 minutes, followed by cooling to room temperature (a detailed description of the heating, pressing, pressing out and annealing methods is described in the prototype).
После наносили керамическое покрытие на основе α-Al2O3 методом детонационного газотермического напыления. Предварительно перед напылением прессованную смесь полиимидного связующего и модифицированного WO2 тщательно очищали от загрязнения, путем помещения в ультразвуковую ванну с ацетоном с минимальной выдержкой в течение 15 мин. Благодаря тщательному очищению от загрязнения полученное керамическое покрытие на основе α-Al2O3 приобретает однородную структуру. После чего прессованную смесь полиимидного связующего и модифицированного WO2 обрабатывали ионизированной водой и сушили сухим азотом. Благодаря этому напыленное керамическое покрытие на основе α-Al2O3 плотно прилегает к прессованной смеси полиимидного связующего и модифицированного WO2. Напыление керамического покрытия на основе α-Al2O3 происходило в режиме нестационарного детонационного горения газовой смеси с частотой 20 Гц. В качестве горючего газа использовали пропан. Скорость истечения порошка α-Al2O3 достигала 1600 м/сек. Большая скорость частиц при более низкой их температуре позволяет сохранить фазовый состав и измельчить первоначальную структуру материала напыляемого порошка, что позволяет создать более плотное керамическое покрытие на основе α-Al2O3 с высокой адгезией и когезией. Оптимальное время напыления керамического покрытия на основе α-Al2O3 - 15-27 мин выбрано таким образом, что при меньшем 15 мин времени толщины керамического покрытия на основе α-Al2O3 будет недостаточно для создания высокой твердости и износостойкости многослойного полимер-углеродного композита необходимого для защиты от микрометеоритного воздействия в космическом пространстве. А при большем 27 мин времени толщина керамического покрытия на основе α-Al2O3 будет слишком большой, что негативно скажется на сцеплении с прессованной смесью полиимидного связующего и модифицированного WO2. Кроме того керамическое покрытие на основе Al2O3, полученное данным методом, будет обладать газобарьерными свойствами, что особо актуально для полимерных материалов, которые теряют свою массу в космосе под воздействием глубокого вакуума и атомарного кислорода.After that, a ceramic coating based on α-Al 2 O 3 was applied by the method of detonation gas thermal spraying. Before spraying, the pressed mixture of the polyimide binder and modified WO 2 was thoroughly cleaned of contamination by placing it in an ultrasonic bath with acetone with a minimum exposure time of 15 minutes. Thanks to thorough cleaning from pollution, the obtained ceramic coating based on α-Al 2 O 3 acquires a uniform structure. Then the pressed mixture of the polyimide binder and modified WO 2 was treated with ionized water and dried with dry nitrogen. Due to this, the sprayed ceramic coating based on α-Al 2 O 3 adheres tightly to the pressed mixture of the polyimide binder and modified WO 2 . The deposition of a ceramic coating based on α-Al 2 O 3 occurred in the mode of unsteady detonation combustion of a gas mixture with a frequency of 20 Hz. Propane was used as combustible gas. The outflow velocity of the α-Al 2 O 3 powder reached 1600 m / s. The high speed of the particles at their lower temperature allows to maintain the phase composition and grind the initial structure of the material of the sprayed powder, which allows you to create a more dense ceramic coating based on α-Al 2 O 3 with high adhesion and cohesion. The optimal spraying time of the ceramic coating based on α-Al 2 O 3 - 15-27 min is chosen so that at less than 15 minutes the thickness of the ceramic coating based on α-Al 2 O 3 will not be enough to create high hardness and wear resistance of the multilayer polymer carbon composite necessary to protect against micrometeorite effects in outer space. And with more than 27 minutes of time, the thickness of the ceramic coating based on α-Al 2 O 3 will be too large, which will adversely affect adhesion to the pressed mixture of the polyimide binder and modified WO 2 . In addition, a ceramic coating based on Al 2 O 3 obtained by this method will have gas-barrier properties, which is especially important for polymeric materials that lose their mass in space under the influence of deep vacuum and atomic oxygen.
На последнем этапе наносили покрытие из металлического молибдена. Способ напыления молибденового покрытия осуществляется, например, с помощью вакуумной установки UniCoat 200, методом дуального магнетронного распыления. Вакуумная камера была откачана до давления ниже 5×10-3 Па. Перед нанесением покрытия производилась ионная очистка поверхности образцов в среде аргона (Ar (о.ч. 99,999%)) при напряжении 2000 В, давлении 9×10-2 Па, время очистки составляло не менее 10 мин. Затем из двух вертикально установленных молибденовых мишеней наносили основной слой молибдена в атмосфере Ar при давлении 0,17±0,01 Па. Время напыления молибденового покрытия - 15-25 мин, частота вращения предметного стола до 25 об/мин. Оптимальное время напыления молибденового покрытия - 15-25 мин выбрано таким образом, что при меньшем времени напыления полученное покрытие не будет обладать устойчивыми электрофизическими характеристиками поверхности, что приведет к неравномерным светоотражательным свойствам поверхности многослойного полимер-углеродного композита. При напылении большем 15 мин полученное молибденовое покрытие ведет себя подобно массивному электрическому проводнику, т.е. удельное электрическое сопротивление не зависит от масштабного фактора - толщины пленки, что приводит к одинаковым светоотражательным свойствам по всей поверхности углерод-полимерного композита. При времени напыления более 25 мин толщина молибденового покрытия будет слишком большой, что негативно сказывается на сцеплении с керамическим покрытием на основе α-Al2O3. При большей 25 об/мин частоте вращения предметного стола молибденовое покрытие наносится неравномерно по поверхности композита, что заметно снижает светоотражательные свойства многослойного полимер-углеродного композита.At the last stage, a molybdenum metal coating was applied. A method of spraying a molybdenum coating is carried out, for example, using a UniCoat 200 vacuum unit, by the method of dual magnetron sputtering. The vacuum chamber was evacuated to a pressure below 5 × 10 -3 Pa. Before the coating was applied, the surface of the samples was ion-cleaned in argon medium (Ar (part 99.999%)) at a voltage of 2000 V, a pressure of 9 × 10 -2 Pa, and the cleaning time was at least 10 minutes. Then, from two vertically mounted molybdenum targets, the main layer of molybdenum was deposited in an Ar atmosphere at a pressure of 0.17 ± 0.01 Pa. The spraying time of the molybdenum coating is 15-25 minutes, the rotation speed of the object table up to 25 rpm The optimal spraying time of the molybdenum coating — 15–25 min — was chosen in such a way that, with a shorter spraying time, the resulting coating would not have stable electrophysical surface characteristics, which would lead to uneven reflective surface properties of the multilayer polymer-carbon composite. When spraying for more than 15 minutes, the resulting molybdenum coating behaves like a massive electrical conductor, i.e. electrical resistivity does not depend on a scale factor - the film thickness, which leads to the same reflective properties over the entire surface of the carbon-polymer composite. When the spraying time is more than 25 minutes, the molybdenum coating thickness will be too large, which adversely affects adhesion to the ceramic coating based on α-Al 2 O 3 . At more than 25 rpm, the speed of rotation of the object table, the molybdenum coating is applied unevenly on the surface of the composite, which significantly reduces the reflective properties of the multilayer polymer-carbon composite.
В табл. 2 представлены данные по физико-механическим, радиационно-защитным и светоотражательным характеристикам предлагаемых составов и прототипа. Физико-механические и светоотражательные характеристики определялись по стандартным методикам. Линейный коэффициент ослабления гамма-квантов находили экспериментальным путем при энергии гамма-квантов 662 кэВ. Источником излучения гамма-квантов был радионуклид цезий - 137Cs. Линейный коэффициент ослабления гамма-квантов рассчитывали исходя из формулы:In the table. 2 presents data on the physico-mechanical, radiation-protective and reflective characteristics of the proposed compositions and prototype. Physico-mechanical and reflective characteristics were determined according to standard methods. The linear attenuation coefficient of gamma rays was found experimentally at an energy of gamma rays of 662 keV. The source of gamma-ray emission was cesium radionuclide - 137 Cs. The linear attenuation coefficient of gamma rays was calculated based on the formula:
где I - интенсивность поглощения гамма-квантов при использовании многослойного полимер-углеродного композита; интенсивность поглощения гамма-квантов без использования многослойного полимер-углеродного композита; х - толщина многослойного полимер-углеродного композита.where I is the intensity of absorption of gamma rays when using a multilayer polymer-carbon composite; gamma-ray absorption intensity without using a multilayer polymer-carbon composite; x is the thickness of the multilayer polymer-carbon composite.
Радиационная стойкость многослойного полимер-углеродного 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».The radiation resistance of a multilayer polymer-carbon composite was estimated by a decrease in the tensile strength of the composite by a factor of 2, subjected to irradiation with a stream of fast electrons in vacuum (P = 1.4⋅10 -4 Pa) with an energy of 5 MeV (beam power 1.5 kGy / s ) on the microwave rainbow electron accelerator.
В результате было установлено, что для достижения поставленного технического результата, в состав предлагаемого многослойного полимер-углеродного композита входят компоненты в следующем соотношении: полиимид - 17,75-24,55 мас.%; модифицированный диоксид вольфрама WO2 - 36,83-50,54 мас.%; углеродная ткань-полотно - 1,59-1,94 мас.%; керамическое покрытие на основе α-Al2O3 - 13,29-16,21 мас.%; металлический молибден - 16,83-20,47%.As a result, it was found that to achieve the technical result, the composition of the proposed multilayer polymer-carbon composite includes components in the following ratio: polyimide - 17.75-24.55 wt.%; modified tungsten dioxide WO 2 - 36.83-50.54 wt.%; carbon fabric-web - 1.59-1.94 wt.%; ceramic coating based on α-Al 2 O 3 - 13.29-16.21 wt.%; metallic molybdenum - 16.83-20.47%.
При 13,76 мас.% и меньше (состав №1) полиимида в составе многослойного полимер-углеродного композита значительно ухудшались его физико-механические характеристики, оцениваемые по прочности при изгибе (табл. 2), так как при малом содержании связующего - полиимида не происходит скрепление модифицированного наполнителя - модифицированного диоксида вольфрама. При 30,96 мас.% и меньше (состав №5) модифицированного наполнителя в составе многослойного полимер-углеродного композита значительно снижаются его радиационно-защитные характеристики, оцениваемые по линейному коэффициенту ослабления гамма-квантов с энергией 662 кэВ и радиационной стойкости (табл. 2), так как при малом содержании предлагаемого модифицированного наполнителя значительно снижается плотность многослойного полимер-углеродного композита.At 13.76 wt.% And less (composition No. 1) of the polyimide in the composition of the multilayer polymer-carbon composite, its physicomechanical characteristics were significantly deteriorated, evaluated by bending strength (Table 2), since at a low binder content, polyimide does not the bonding of the modified filler - modified tungsten dioxide occurs. At 30.96 wt.% Or less (composition No. 5) of the modified filler in the composition of the multilayer polymer-carbon composite, its radiation-protective characteristics are significantly reduced, estimated by the linear attenuation coefficient of gamma rays with an energy of 662 keV and radiation resistance (Table 2 ), since with a low content of the proposed modified filler, the density of the multilayer polymer-carbon composite is significantly reduced.
Рассмотрим способ получения многослойного полимер-углеродного композита на примере состава 3 (табл. 1). Приготовили раствор гидрофобизирующей кремнийорганической жидкости ГКЖ-136-41 в количестве 0,87 г в ксилоле. Смесь из 42,66 г. диоксида вольфрама (WO2) и приготовленного раствора жидкости гидрофобизирующей кремнийорганической ГКЖ-136-41 в ксилоле перемешивали в течение 10 мин. После чего полученную смесь высушивали при температуре 150°С в течение 90 мин.Consider the method of obtaining a multilayer polymer-carbon composite on the example of composition 3 (table. 1). A solution of hydrophobizing organosilicon liquid GKZH-136-41 in an amount of 0.87 g in xylene was prepared. A mixture of 42.66 g of tungsten dioxide (WO 2 ) and a prepared solution of liquid hydrophobizing organosilicon hydroxy-silica GKZh-136-41 in xylene was stirred for 10 minutes. Then the resulting mixture was dried at a temperature of 150 ° C for 90 minutes.
Затем в мельницу загрузили 21,33 г полиимида и 43,53 г модифицированного наполнителя диоксид вольфрама WO2 и смешивали в течение 25 мин. В стальную пресс-форму из нержавеющей стали Х18Н10Т укладывали один слой углеродной ткани-полотна (армирование) массой 0,88 г в виде шайбы с диаметром 3 см (размеры соответствовали размерам пресс-формы). Сверху засыпали полученную в мельнице смесь полиимида и модифицированного наполнителя и снова помещали еще один слой углеродной ткани-полотна (армирование) массой 0,88 г. Пресс-форму с материалами нагревали до 350°C с дальнейшем поддержанием такой температуры в течение 45 мин. Полученный расплав прессовали методом горячего прессования при давлении 80 МПа. Далее спрессованные образцы подвергались отжигу при температуре 250°С в течение 60 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры (подробное описание методики нагрева, прессования, выпрессовки и отжига описано в прототипе).Then, 21.33 g of polyimide and 43.53 g of modified tungsten dioxide WO 2 filler were loaded into the mill and mixed for 25 minutes. A single layer of carbon cloth-cloth (reinforcement) with a mass of 0.88 g in the form of a washer with a diameter of 3 cm was placed in a steel mold from X18H10T stainless steel (the dimensions corresponded to the dimensions of the mold). The mixture of polyimide and modified filler obtained in the mill was poured on top and another layer of 0.88 g carbon fabric-cloth (reinforcement) was again placed. The mold with materials was heated to 350 ° C with further maintaining this temperature for 45 min. The obtained melt was pressed by hot pressing at a pressure of 80 MPa. Then, the pressed samples were annealed at a temperature of 250 ° C for 60 min, followed by cooling to room temperature (a detailed description of the heating, pressing, pressing, and annealing methods is described in the prototype).
На следующем этапе спрессованный образец выдерживали в ультразвуковой ванне с ацетоном в течение 15 мин. После чего обрабатывали ионизированной водой и сушили сухим азотом. На обработанный материал напыляли керамическое покрытие на основе α-Al2O3 в течение 20 мин. Напыление керамического покрытия на основе α-Al2O3 происходило в режиме нестационарного детонационного горения газовой смеси с частотой 20 Гц. В качестве горючего газа использовали пропан. Скорость истечения порошка α-Al2O3 достигала 1600 м/сек.At the next stage, the pressed sample was kept in an ultrasonic bath with acetone for 15 min. Then it was treated with ionized water and dried with dry nitrogen. A ceramic coating based on α-Al 2 O 3 was sprayed onto the treated material for 20 minutes. The deposition of a ceramic coating based on α-Al 2 O 3 occurred in the mode of unsteady detonation combustion of a gas mixture with a frequency of 20 Hz. Propane was used as combustible gas. The outflow velocity of the α-Al 2 O 3 powder reached 1600 m / s.
Далее полученный материал помещали в вакуумную установку UniCoat 200. Вакуумная камера была откачана до давления 5×10-3 Па. Перед нанесением покрытия производилась ионная очистка поверхности образцов в среде аргона (Ar (о.ч. 99,999%)) при напряжении 2000 В, давлении 9×10-2 Па, время очистки составляло 10 мин. Затем из двух вертикально установленных молибденовых мишеней наносили основной слой молибдена в атмосфере Ar при давлении 0,01 Па в течение 20 мин, частота вращения предметного стола составляла 25 об/мин.Next, the resulting material was placed in a UniCoat 200 vacuum unit. The vacuum chamber was evacuated to a pressure of 5 × 10 -3 Pa. Before the coating was applied, the surface of the samples was ionically cleaned in argon medium (Ar (part 99.999%)) at a voltage of 2000 V, a pressure of 9 × 10 -2 Pa, and the cleaning time was 10 min. Then, from two vertically mounted molybdenum targets, the main layer of molybdenum was deposited in an Ar atmosphere at a pressure of 0.01 Pa for 20 min, the rotational speed of the object table was 25 rpm.
Полученные данные показывают, что заявляемый многослойный полимер-углеродный композит обладает более высокими физико-механическими, радиационно-защитными и светоотражательными характеристиками в сравнении с прототипом.The data obtained show that the inventive multilayer polymer-carbon composite has higher physicomechanical, radiation-protective and reflective characteristics in comparison with the prototype.
Предложенное решение позволяет получить многослойный полимер-углеродный композит с более высокой степенью защиты от космического воздействия в сравнении с прототипом, а именно:The proposed solution allows to obtain a multilayer polymer-carbon composite with a higher degree of protection against space exposure in comparison with the prototype, namely:
- более высокой степенью защиты от механических воздействий микрометеоритных частиц, оцениваемой по физико-механическим характеристиками, таким так: прочность при изгибе и твердость по Виккерсу;- a higher degree of protection against mechanical influences of micrometeorite particles, estimated by physical and mechanical characteristics, such as: bending strength and Vickers hardness;
- более высокой стойкостью к электронному и гамма-излучению, оцениваемой по радиационно-защитным характеристиками, таким как: радиационная стойкость и линейный коэффициент ослабления гамма-квантов;- higher resistance to electronic and gamma radiation, estimated by radiation protective characteristics, such as: radiation resistance and linear attenuation coefficient of gamma rays;
- более высокой стойкостью к Солнечному излучению, оцениваемой по светоотражательным характеристикам, а именно - коэффициенту отражения.- higher resistance to solar radiation, estimated by reflective characteristics, namely, the reflection coefficient.
Предложенное решение обладает рядом преимуществ в сравнении с прототипом за счет предлагаемого состава и способа, использования послойного чередования функциональных покрытий, что приводит к созданию многослойного полимер-углеродного композита с высокой степенью защиты от космического воздействия. При этом использование многослойной структуры, обеспечивающей экранирование и взаимное подавление потоков частиц и квантов в космическом пространстве, представляет собой более совершенную защиту от ионизирующих излучений по сравнению с известными композитными материалами аналогичного состава.The proposed solution has several advantages in comparison with the prototype due to the proposed composition and method, the use of layer-by-layer alternation of functional coatings, which leads to the creation of a multilayer polymer-carbon composite with a high degree of protection against cosmic effects. At the same time, the use of a multilayer structure that provides shielding and mutual suppression of particle and quantum fluxes in outer space is a more perfect protection against ionizing radiation in comparison with known composite materials of a similar composition.
Преимущества предлагаемого многослойного полимер-углеродного композита заключаются в следующем:The advantages of the proposed multilayer polymer-carbon composite are as follows:
- композит обладает повышенными физико-механическими характеристиками, в отличие от прототипа, а именно: прочность при изгибе предлагаемого многослойного полимер-углеродного композита в более чем 2 раза больше, чем у прототипа, а твердость по Виккерсу более в чем 10 раз;- the composite has improved physical and mechanical characteristics, in contrast to the prototype, namely: the flexural strength of the proposed multilayer polymer-carbon composite is more than 2 times greater than that of the prototype, and Vickers hardness more than 10 times;
- композит обладает повышенной радиационной стойкостью в 2,5 раза больше, чем у прототипа;- the composite has an increased radiation resistance of 2.5 times more than that of the prototype;
- композит обладает повышенным линейным коэффициентом ослабления гамма-квантов с энергией 662 кэВ почти в 1,5 раза в сравнении с прототипом;- the composite has an increased linear attenuation coefficient of gamma rays with an energy of 662 keV almost 1.5 times in comparison with the prototype;
- композит обладает повышенным коэффициентом отражения при длине волны λ=500 нм в более чем 3 раза больше, чем у прототипа.- the composite has a high reflection coefficient at a wavelength of λ = 500 nm in more than 3 times more than that of the prototype.
Таким образом, использование предложенного состава многослойного полимер-углеродного композита и предлагаемый способ его получения позволяет получить многослойному полимер-углеродному композиту новые, более высокие показатели защиты от космического воздействия.Thus, the use of the proposed composition of the multilayer polymer-carbon composite and the proposed method for its preparation allows the multilayer polymer-carbon composite to obtain new, higher levels of protection against cosmic effects.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019122918A RU2719682C1 (en) | 2019-07-16 | 2019-07-16 | Multilayer polymer-carbon composite for protection against space impact and method for production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019122918A RU2719682C1 (en) | 2019-07-16 | 2019-07-16 | Multilayer polymer-carbon composite for protection against space impact and method for production thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2719682C1 true RU2719682C1 (en) | 2020-04-21 |
Family
ID=70415652
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019122918A RU2719682C1 (en) | 2019-07-16 | 2019-07-16 | Multilayer polymer-carbon composite for protection against space impact and method for production thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2719682C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000028551A2 (en) * | 1998-11-06 | 2000-05-18 | Nurescell, Inc. | Radiation resistant and radiation shielding thermosetting composition |
| RU2208851C2 (en) * | 2000-12-26 | 2003-07-20 | Пензенская государственная архитектурно-строительная академия | Composite for producing radiation shielding materials |
| RU2673336C1 (en) * | 2017-10-16 | 2018-11-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова" | Polymeric composite for protection against space radiation and its production method |
| RU2681517C1 (en) * | 2018-05-07 | 2019-03-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Polymeric composite for protection against ionizing radiation based on track membranes and method for production thereof |
-
2019
- 2019-07-16 RU RU2019122918A patent/RU2719682C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000028551A2 (en) * | 1998-11-06 | 2000-05-18 | Nurescell, Inc. | Radiation resistant and radiation shielding thermosetting composition |
| RU2208851C2 (en) * | 2000-12-26 | 2003-07-20 | Пензенская государственная архитектурно-строительная академия | Composite for producing radiation shielding materials |
| RU2673336C1 (en) * | 2017-10-16 | 2018-11-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им В.Г. Шухова" | Polymeric composite for protection against space radiation and its production method |
| RU2681517C1 (en) * | 2018-05-07 | 2019-03-07 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" | Polymeric composite for protection against ionizing radiation based on track membranes and method for production thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yin et al. | Fibre-reinforced multifunctional SiC matrix composite materials | |
| Zhou et al. | Microstructural evolution of SiC coating on C/C composites exposed to 1500° C in ambient air | |
| KR101810238B1 (en) | A method for coating oxidation protective layer for carbon/carbon composite, a carbon heater, and cooker | |
| Ren et al. | Dynamic oxidation protective ultrahigh temperature ceramic TaB2-20% wtSiC composite coating for carbon material | |
| Duan et al. | Enhanced mechanical and dielectric properties of SiCf/SiC composites with silicon oxycarbide interphase | |
| Ren et al. | Oxidation and cracking/spallation resistance of ZrB2–SiC–TaSi2–Si coating on siliconized graphite at 1500 C in air | |
| RU2719682C1 (en) | Multilayer polymer-carbon composite for protection against space impact and method for production thereof | |
| Derradji et al. | Cost effective surface‐modified basalt fibers‐reinforced phthalonitrile composites with improved mechanical properties and advanced nuclear shielding efficiency | |
| Zhao et al. | Fast-diffusion joining of SiC-coated three-dimensional C/SiC composites with a Mo-W-Mo interlayer by spark plasma sintering | |
| Yu et al. | Tribological properties of the polyacrylate/PTFE coating modified by POSS in the space environment | |
| Boroujeni et al. | Effect of carbon nanotubes growth topology on the mechanical behavior of hybrid carbon nanotube/carbon fiber polymer composites | |
| Ma et al. | Laser ablation behavior of flake graphite and SiO2 particle-filled hyperbranched polycarbosilane matrix composite coatings | |
| Liu et al. | Atmospheric plasma-sprayed hydroxyapatite coatings with (002) texture | |
| Zou et al. | Thermal properties and oxidative corrosion behaviour of HfB2-SiB6 ceramicizable phenolic resin matrix composites | |
| Wang et al. | Oxidation behavior and interfacial microstructure evolution of MoSi2/MoB coatings on Mo1 substrate at 600 and 1400° C | |
| Zhao et al. | Preparation of multilayered C–Si–Al2O3 coatings on continuous carbon fibers and C–Si–Al2O3-coated carbon-fiber-reinforced hydroxyapatite composites | |
| Guo et al. | Multilayered coatings for protecting carbon-carbon composites from oxidation | |
| Park et al. | Relationship between surface characteristics and interlaminar shear strength of oxyfluorinated carbon fibers in a composite system | |
| Liu et al. | Microstructure evolution of TiC/Inconel 718 composites prepared by direct energy deposition | |
| Medjahed et al. | Fabrication Process, Tensile, and Gamma Rays Shielding Properties of Newly Developed Fiber Metal Laminates Based on an Al–Li Alloy and Carbon Fibers‐Tungsten Carbide Nanoparticles Reinforced Phthalonitrile Resin Composite | |
| Zhang et al. | A glass coating prepared by pulse arc discharge deposition for oxidation protection of carbon/carbon composites | |
| Xie et al. | Oxidation behaviour of interlocking SiC–Si coating for graphite prepared by preoxidation and gaseous silicon infiltration process | |
| Jin et al. | Formation of silicon carbide nanowire coatings on C/C composites using an in situ catalytic strategy for improved oxidation resistance | |
| Shi et al. | Effect of precoated carbon layer on microstructure and anti‐erosion properties of SiC coating for 2D‐C/C composites | |
| Yang et al. | Study on mechanical behavior of CVD-SiC coated C/SiC composites under simulated space environments |