Наличие на борту космического летательного аппарата ядерной энергетической установки обусловливает появление ряда дополнительных требований по обеспечению радиационной безопасности космического полета, связанных с необходимостью снижения до допустимого уровня воздействия ионизирующих излучений на организм членов экипажа при осуществлении пилотируемого полета или на системы корабля при его беспилотной эксплуатации. Наибольшие трудности, как и в случае эксплуатации наземных ядерно-технических установок вызывает снижение потоков нейтронов и гамма-квантов. Так как космическая среда практически не рассеивает нейтроны и γ- излучение, для беспилотных аппаратов, как правило, используется теневая защита. Такая защита обеспечивает создание зоны с пониженным уровнем излучений в ограниченном объеме пространства [1-12].

Требования предъявляемые к материалам защиты КЛА предполагают использование полимерных композиционных материалов на основе высокотермостойкой матрицы, обладающей повышенными термоустойчивостью, теплостойкостью и огнестойкостью. Эти материалы должны обладать стойкостью к ударным нагрузкам, растрескиванию, сохранять стабильность размеров при разных температурах (от минус 90 до плюс 250 °С). Полимерная матрица должна быть трудногорюча, обладать высокой электрической прочностью, химической и радиационной стойкостью.

Анализ существующих проблем в области создания защиты космической ЯЭУ показал, что необходим принципиально новый подход к конструированию биологической защиты, позволяющий ослабить влияние ионизирующего излучения до установленных норм при меньшей массе защиты космической ЯЭУ [13-24].

В этом направлении наиболее перспективна разработка термостойких, высокопрочных радиационно-защитных композиционных материалов на основе полиимидной матрицы, армированной нанотрубчатыми волокнами с повышенной способностью поглощения нейтронов. Благодаря использованию особого механизма послойного формирования композита с чередованием микро- и нано- слоев различной плотности, за счет рассеивания и внутреннего многократного отражения гамма-квантов, радиационно-защитные свойства разрабатываемых материалов будут значительно превосходить все имеющиеся аналоги [25-34].

Цель исследования

Исследование физико-химических и технологических особенностей получения термостойких радиационно-защитных композиционных материалов на основе полиимидной матрицы, армированной нанотрубчатыми наполненными волокнами.

Материалы и методы исследования

Для синтеза полиимидной матрицы был использован готовый раствор полиамидокислоты (ПАК) в виде полиимиднго лака АД-9103.

В качестве нейтроно- и гамма- поглощающего наполнителя использован борсодержащий хризотил с содержанием атомов бора 10,9 % масс, заполненный тугоплавким малорастворимым соединением на основе вольфрамата свинца.

Экспериментально было определено следующее соотношение компонентов: лак АД-9103 – 45 масс. %, нанотрубчатый борсодержащий хризотил 25 масс. %, N,N – диметилформамид 30 масс. %. Перемешивание компонентов производилось в течение 150 мин. при температуре 45 °С. Время перемешивания было обусловлено необходимостью равномерного диспергирования хризотила в растворе ПАК.

Для изготовления плёнки была собрана лабораторная установка, включающая ёмкость предварительного смешения компонентов 1, накопительную ёмкость 2, прижимной стальной полированный валок 3, щелевой фильер 4 и стальную полированную плиту-форму 5 с профрезерованной мелкой кюветой (рисунок).

Результаты исследования и их обсуждение

В ёмкость предварительного смешения, представляющую собой металлический обогреваемый сосуд, оборудованный пропеллерной мешалкой, подавались компоненты: лак АД-9103, синтезированный нанотрубчатый хризотил и N,N – диметилформамид в качестве растворителя. Соотношение выбиралось таким образом, чтобы условная вязкость готовой смеси не превышала 300 дин/сек.

Готовую суспензию через щелевой фильер под давлением наносили на полированную стальную плиту толщиной 0,5 см с профрезерованной кюветой глубиной 0,2 мм. Плиту-форму с помощью роликового механизма протягивали под прижимным полированным стальным валком, обеспечивающим равномерную толщину плёнки. Все поверхности перед нанесением суспензии были тщательно обезжирены ацетоном и обработаны антиадгезивом (жидкость ГКЖ).

Плиту-форму с плёнкой помещали в сушильный шкаф и подвергали просушке под вакуумом 0,01 МПа для удаления растворителя в течение 120 мин. при температуре 90 °С. Далее плёнку подвергали имидизации посредством термообработки.

Режимы температурной обработки подбирали по результатам термогравиметрического исследования полиимидного лака АД-9103. На основе термогравиметрического исследования выбраны режимы температурной обработки полиимидной пленки: на воздухе – 10 мин; при 85 °С – 20 мин; при 200ºС – 60 мин; отжиг: при 250 °С – 30 мин, при 300 °С – 20 мин, при 350 °С – 10 мин, при 410 °С – 15 мин. Обработка при температуре 400 – 420 °С значительно повышает механическую прочность и термостабильность готовой плёнки.

После отжига и охлаждения плёнки её снимали с плиты-формы. Таким образом, были получены образцы плёнки размером 140х190 мм, средней толщиной 0,12 мм. Очевидно, что меньшая толщина получалась в результате термоусадки материала при обжиге. Полученные образцы имели следующие физико-механические характеристики, представленные в таблице.

Лабораторная установка для получения полиимидной наполненной плёнки: 1 – ёмкость предварительного смешения компонентов; 2 – накопительная ёмкость; 3 – прижимной валок; 4 – щелевой фильер; 5 – фрезерованная плита-форма, 6 – роликовый протяжный механизм