В настоящее время полимерные композиты получили широкое распространение в технике благодаря своим высоким механическим и физико-химическим свойствам [6, 7, 10, 11, 13, 14]. Использование полимеров в космической отрасли обусловлено их доступностью, дешевизной, малым весом и высокими эксплуатационными характеристиками [15, 19, 20, 21, 23, 24]. Однако, в условиях космоса происходит значительное ухудшение свойств любых материалов, в том числе и полимерных. Главными негативными факторами, оказывающими воздействие на полимерные материалы, это в основном: широкий температурный диапазон использования от + 150 ° до – 150 °С, условия глубокого вакуума, Солнечное излучения (особенно вакуумный ультрафиолет) [3, 4, 16-18, 25-27, 30-32]. Также одним из самых опасных воздействий на полимерные материалы является набегающий поток атомарного кислорода. Он нарушает целостность поверхностного слоя полимера, тем самых ухудшая его физико-механические свойства [12, 29].
Поиск материалов, устойчивых к воздействию атомарного кислорода в условиях открытого космоса, пути повышения их радиационной стойкости, способы и методы поверхностной защиты, разработка новых функциональных и конструкционных материалов, обладающих повышенными характеристиками в условиях агрессивного воздействия космоса, способность прогнозировать поведение материала под воздействием того или иного фактора – все это является одной из важнейшей задачи космического материаловедения.
Существую различные способы повышения устойчивости полимерных материалов к воздействию атомарного кислорода в условиях космического пространства [1, 2, 5, 8, 9, 22]. Использование защитных покрытий из полиимида (Kapton 100HN) позволяет уменьшить потерю массы и предотвратить реакции атомов материала с кислородом. Для снижения эрозии поверхность материалов их также покрывают тонкими (~ 1 мкм) защитными покрытиями как неорганическими, так и полимерными (тефлон, силиконы и др.). Покрытия позволяют снизить потерю массы полимерных материалов в 10-100 раз. В качестве защитных покрытий можно использовать также MgF2, SiN4, TiO2, оксид индий-олово, кремнийорганические соединения и металлы (А1, Сr, Мо и др.).
Другой подход к защите полимеров от воздействия атомарного кислорода основан на ионной имплантации в полимер ионов Si+, Al+, B+ с энергией 30–100 кэВ при флюенсе Ф~1016 ион/см2. Под воздействием атомарного кислорода внедренные ионы на глубине ~0,1 мкм превращаются в оксиды SiO2, Al2O3, что способствует защите более глубоких слоев полимера.
В данной работе проведено исследование повышения устойчивости полимерных материалов к воздействию атомарного кислорода путем добавления в полимеры кремнийсодержащих структур.
Цель исследования
Изучить влияние кремнийсодержащих структур на повышение устойчивости полимерных композитов к воздействию атомарного кислорода в условия космического пространства с целью создания новых полимерных композитов обладающих высокой радиационной стойкостью.
Материалы и методы исследования
Для проведения эксперимента использовали в качестве связующего – ударопрочную полистирольную матрицу, а в качестве защитного наполнителя – ортокремниевую кислоту.
По своим физико-механическим свойствам полистирол представляет собой термопластичный полимер линейного строения. Выбор полистирола обусловлен его хорошимиэлектрофизическими свойства. У полистирола достаточно низкие диэлектрические потери, высокая электрическая прочность, а также высокое объемное сопротивление.
Выбор наполнителя – ортокремниевой кислоты обусловлен тем, что в его структуре содержатся атомы кремния, которые при взаимодействии с атомарным кислородом образуют прочное соединение – оксид кремния (IV), которые защищает глубинные слои композита от дальнейшей деградации. Кроме того благодаря высокой белизне наполнителя полученные композиты также будут обладать белизной, что значительно улучшит светоотражение Солнечного излучения от исследуемого материала.
Имитация воздействия атомарного кислорода в космосе проводилась путем облучения пучком кислородной плазмы, формируемым специализированной установкой, находящейся в НИИЯФ МГУ им. М.В. Ломоносова. Поток ускоренной кислородной плазмы состоял из атомарных и молекулярных ионов, быстрых атомов и молекул кислорода с энергией до 40 эВ, а также плазменных электронов с энергией 1–5 эВ. Плотность потока атомов составляла ~ 1015ат/см2·с, а флюенс атомов ~ 5,8∙1022 ат/см2, рабочий вакуум 0,02 Па.
Результаты исследования и их обсуждение
Авторами были синтезированы полимерные композиты на основе полистирольной матрицы и ортокремниевой кислоты. Содержание наполнителя варьировалось от 30 до 80 % по массе. Далее синтезированные композиты были подвергнуты 3-х часовому облучению потоком кислородной плазмы.
Основным параметром, определяющим воздействие атомарного кислорода на материал,является удельная потеря массы(Δm/S) после воздействия атомарного кислородаи коэффициент эрозии (Rm). В таблице представлены значения данных параметров для различного содержания наполнителя.
Анализ таблицы показывает, что при увеличении содержания ортокремневой кислоты в композите значительно уменьшается удельная потеря массы и коэффициент эрозии, что является положительным фактором. Удельная потеря массы чистого полистирола после обработки атомарным кислородом снижается в 3,6 раза по сравнению с 80 %-ным содержанием исследуемого наполнителя.
На рисунке представлена морфология поверхности чистого полистирола и полимерного композита с 80 % содержанием ортокремниевой кислоты после облучения потоком кислородной плазмы. Для съемки использовали растровый электронный микроскоп (РЭМ) в сочетании с элементным анализом поверхности.
Таблица 1
Удельная потеря массы (Δm/S) и коэффициент эрозии после 3-х часовой обработки потоком кислородной плазмы
|
Содержаниеортокремниевой кислоты, мас. % |
|||||||
|
0 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
|
|
Δm/S, 10-3∙г/см2 |
7,75 |
5,45 |
4,13 |
3,86 |
3,52 |
3,01 |
2,12 |
|
Rm, 10-24 г/атом О |
1,15 |
1,02 |
0,86 |
0,36 |
0,24 |
0,18 |
0,12 |
а б
Морфология поверхности чистого полистирола (а) и полимерного композита с 80 % содержанием ортокремниевой кислоты (б) после облучения потоком кислородной плазмы
Анализ морфологии показывает, что без наполнителя происходит сильная деградация поверхности (рисунок, а), а при введении наполнителя отсутствуют сильные изменения поверхностного слоя.
Заключение
Авторами рассмотрена возможность синтеза полимерных композитов на основе полистирольной матрицы и ортокремниевой кислоты. Доказано, что введение наполнителя значительно защищает композит от воздействия атомарного кислорода. Изучена поверхность чистого полистирола и полимерного композита с 80 % содержанием ортокремниевой кислоты после облучения потоком кислородной плазмы. Установлено, что кремнийсодержание структуры препятствуют деградации полимеров от потока набегающей кислородной плазмы.
Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K.