В последнее время полимеры и композиты на их основе нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам полимеры используют в медицине, строительстве, машиностроении, в атомной энергетике и даже в космической отрасли. Полимеры обладают хорошей электроизоляцией и конструкционными свойствами, благодаря чему их используют для производства кабелей, проводов, конденсаторов, применяемых в космическом пространстве.
Однако в космическом пространстве действуют другие климатические и радиационные условия, нежели чем на Земле. Под воздействием вакуума происходит сильное газовыделение полимеров, осажденные частицы которых затем попадают на элементы космического аппарата, тем самым ухудшая их функциональные свойства. Под воздействием вакуумного ультрафиолета (ВУФ) в полимерах происходят обратимые и необратимые радиационные эффекты [1, 3, 4, 17, 16, 18, 26]. К наиболее опасным их них относят фотодеструкция, деструкция макромолекул, радиационная сшивка. Также атомарный кислород, который присутствует в космосе на высоте от 200 до 800 км от уровня моря, сильно разрушает полимеры. При воздействии атомарного кислорода с полимером происходит унос массы с его поверхности, что значительно разрушает его морфологию и физико-механические свойства [12, 16, 29]. Также нельзя забывать о радиационных поясах Земли, благодаря которым на полимеры воздействует электронное и протонное излучение. Под действием электронного и протонного излучения происходят пробои в полимерах, которые нарушают работоспособность всего элемента в целом [7, 10, 15, 28, 30].
Существуют различные способы повышения радиационной стойкости полимеров к агрессивным условиям космоса. Наиболее эффективным является синтез композитов, путем добавления радиационно-стойкого или радиационно-защитного наполнителя в полимерную матрицу [2, 5, 6, 9, 13, 20, 21, 22, 31]. Очень часто необходимо создать совместимость полимерной матрицы и наполнителя, из-за их разной полярности. В этом случает вначале необходимо модифицировать наполнитель, а затем уже вводить его в матрицу. Очень часто полимеры модифицируют органосилоксановыми структурами [8, 11, 23, 24, 25, 27, 32].
Ударопрочный полистирол является одним из самых радиационно-стойких полимеров после полиимидов. Известны работы, в которых описано моделирование воздействия различных факторов космоса на материалы на основе полистирола [19, 28]. В данной работе проведено исследование воздействие электронного излучения на ударопрочный полистирол, построены коэффициенты пропускания электронов, зависящие от толщины материала.
Цель исследования
Изучить влияние электронного излучения на ударопрочный полистирол. Разработать математическую модель зависимости коэффициента пропускания числа электронов от толщины исследуемого материала при разных углах падения.
Материал и методы исследования
В качестве исследуемого материала использовали ударопрочный полистирол. Элементный химический состав представлен в таблице.
Элементный химический состав ударопрочного полистирола
|
Содержание в материале, % мас. |
Плотность, г/ см3 |
|
|
H |
C |
1,056 |
|
7,69 |
92,31 |
|
Коэффициенты пропускания по числу частиц и по энергии электронов падающих на исследуемый полимерный композиционный материал под некоторым углом φ к нормали его поверхности и прошедших слой веществах находятся по формуле (1) и (2) соответственно:
, (1)
(2)
где N0 и E0 – число падающих электронов и их кинетическая энергия.
Результаты исследования и их обсуждение
Для вычисления коэффициентов пропускания числа электронов воспользуемся эмпирической формулой:
, (3)
где
, (4)
Rex – экстраполированный пробег электронов.
(5)
для 
,
– в остальных случаях, (6)
, (7)
Коэффициент пропускания по энергии имеет следующий вид
(8)
, (9)
, (10)
Выражения TN(x) и TE(x) можно использовать для точных расчетов при энергии электронов 0,4-6 МэВ и углов падения 0–450, при нарушении этих условий ошибка составит 20-30 %.
а б
Коэффициент пропускания числа электронов при разных углах падения при энергии а –1 МэВ, б – 0,5 МэВ
Ни рисунке представлены результаты математических расчетов коэффициента пропускания числа электронов при разных углах падения. Начальная энергия электронов фиксирована, на рисунке, а она составляет 1 МэВ, а на рисунке 1, б 0,5 МэВ.
Анализ данных полученных на рисунке показывает, что при увеличении угла между нормалью к поверхности и электронным пучком коэффициент пропускания числа электронов значительно снижается. При энергии электронов 0,5 МэВ для толщины материала более 0,2 см коэффициент пропускания числа электронов отсутствует. Это говорит о том, что эффективный пробег электронов данной энергии 0,2 см. А для энергии электронов в 1 МэВ эффективный пробег электронов 0,4 см. Также можно утверждать, что эффективный пробег электронов в материале не зависит от угла падения между нормалью к поверхности и электронным пучком.
Заключение
В работе исследуются процессы прохождения быстрых электронов через ударопрочный полистирол. Математически смоделирован процесс прохождения электронного излучения через материал. Смоделированы и исследованы коэффициенты пропускания по числу частиц в полимере, в зависимости от угла падения к нормали композита и начальной энергии падающих электронов. Показана высокая стойкость разработанного композита по отношению к потоку быстрых электронов в общем случае их падения под разными углами к нормали поверхности мишени.
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ, договор № НК 14-02-31050/15 от 30 апреля 2015 года.