КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 19-19-00316

НазваниеРазработка научных основ создания нового типа высококонструкционного защитного композита с эффектом самозалечивания для применения в условиях открытого космоса

РуководительПавленко Вячеслав Иванович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова", Белгородская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2019 г. - 2021 г.

, продлен на 2022 - 2023. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-505 - Физико-химические и радиационные проблемы материаловедения

Ключевые словаполимерный композит, оксид вольфрама, модифицирование, высококонструкционный слой, детонационное газотермическое напыление, магнетронное распыление, радиационная защита, эффект самозалечивания, глубокий вакуум, вакуумный ультрафиолет, атомарный кислород, ионизирующее излучение, микрометеоритные частицы

Код ГРНТИ58.35.09

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Одно из перспективных направлений решения проблемы повышения радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры космических летательных аппаратов (КЛА) – применение методов локальной защиты, позволяющих снизить возникновение электромагнитных помех от разрядных явлений в объеме диэлектрических элементов электронного оборудования и приборов авиационно-космического назначения. Локальная защита представляет собой дополнительный экран, предназначенный для защиты критичных узлов и элементов аппаратуры. Применение таких экранов позволяет использовать кристаллы микросхем коммерческого и индустриального классов вместо радиационно-стойких чипов, что дает возможность снизить себестоимость радиоэлектронной аппаратуры и расширить номенклатуру применяемых компонентов. При разработке материалов защиты с малыми массогабаритными характеристиками наиболее перспективно использование наполненных радиационно-стойких полимеров. При этом негативные факторы космического пространства, такие как глубокий вакуум, атомарный кислород, солнечное ультрафиолетовое излучение, заряженные частицы, гамма-излучение, экстремальные температуры, удары от микрометеоритов и орбитального мусора и др. приводят к разрушению известных полимерных композитов и ухудшению их функциональных свойств. Кроме того, огромная сложность возникает при использовании полимеров и материалов на их основе на низких околоземных орбитах, где присутствует атомарный кислород, который вызывает эрозию приповерхностных слоев полимеров. В связи с этим, реализация проекта направлена на разработку научных основ создания нового типа высококонструкционного металло-полимер-углеродного композита для космических систем, обладающего эффектом самозалечивания структуры и высоким уровнем защиты от негативных факторов космического пространства, а также на исследование изменения его структуры и свойств под воздействием этих факторов. Решение поставленной задачи основано на технологии получения многослойного экрана, состоящего из трех последовательных слоев: 1–й слой (нижний) – радиационно-защитный высококонструкционный на основе термопластичного полиимида, наполненного модифицированным диоксидом вольфрама (WO2) с добавлением высокодисперсного порошка кремния (для эффекта самозалечивания полимерной матрицы) и с двусторонним внешним армированием многослойной углеродной тканью; 2-й слой – высокотвердый, адгезионный, на основе теплостойкой корундовой керамической матрицы (α- Al2O3); 3-й слой (верхний) – светоотражательный, на основе молибденового металлического покрытия. Предлагаемый многослойный экран должен обеспечить тройную защиту – радиационную, противоударную и тепловую. Такой подход обеспечит снижение сбоев в работе радиоэлектронной аппаратуры и обеспечит высокую защиту от механических колебаний, вызванных ударной волной микрометоритных частиц в широком интервале температур космического пространства (от -170 до +200 °С). Эффект самозалечивания межмолекулярной структуры полимера будет обеспечен за счет введения в первый слой высокодисперсного порошка кремния с удельной поверхностью более 5 м2/г, что определит возможность захвата частиц атомарного кислорода путем взаимодействия Si и O с образованием аморфного кремнезема, заполняющего возникающие в полимерном слое микротрещины и дефекты структуры. Образующийся SiO2 (кремнезем) стоек к окислению и защищает полимерную матрицу от процессов термодеструкции. Для синтеза радиационно-защитного слоя высококонструкционного композита предлагается использовать в качестве матрицы термопластичный полиимид в виде пресс-порошка (размер частиц 2-5 мкм). Использование полиимида обусловлено его высокими механическими характеристиками, радиационной и химической стойкостью, а также широким температурным диапазоном эксплуатации (от -250 °C до +350 °C), что выгодно отличает его среди гетероцепных термопластов и определяет длительное использование в условиях космического пространства. Выбор в качестве наполнителя радиационно-защитного слоя диоксида вольфрама обусловлен тем, что WO2 обладает высокой плотностью 12,1 г/см3, термической стойкостью, нетоксичен и имеет широкие технологические возможности получения, что делает весьма актуальным его применение в качестве наполнителя для радиационно-защитного слоя. Ввиду гидрофильности диоксида вольфрама, предварительное модифицирование его поверхности олигомерами с низкой молекулярной массой (например, полиалкилгидросилоксаном или полиимидным лаком) обеспечит совместимость и возможность равномерного распределения наполнителя в объеме неполярной полиимидной матрицы. Энергодисперсионное взаимодействие пресс-порошка полиимида, высокодисперсного модифицированного WO2 и кремния в струйно-вихревой мельнице позволит достичь активации их поверхности, а также высокой однородности распределения наполнителя в полиимидной матрице и исключит возможность образования агломератов. Научной новизной решаемой задачи и проекта в целом является реализация эффекта самозалечивания межмолекулярной структуры полимерной полиимидной матрицы при воздействии набегающего атомарного кислорода, за счет использования высокодисперсного кремния и образования в системе аморфного защитного кремнезема. При переходе Si в SiO2 (кремнезем) будет происходить увеличение молярного объема почти в 2 раза, что приведет к «залечиванию» микродефектов структуры полимера, образующихся в результате электрического пробоя, радиационного или микрометеоритного воздействия. Образующийся кремнезем не подвержен дальнейшему окислению, защищая тем самым полиимидную матрицу от окисления и термодеструкции. Таким образом, вводимый высокодисперсный порошок кремния будет служить «ловушкой» для захвата атомарного кислорода. Формование радиационно-защитного высококонструкционного слоя (1–й, нижний слой защиты) будет осуществлено методом горячего прессования при температуре 300-350 °С и давлении не менее 200 МПа. Нагрев компонентов в азотно-водородной среде (или в вакууме) исключит окисление кремния. Использование внешнего армирования радиационно-защитного слоя многослойной углеродной тканью позволит значительно повысить конструкционную прочность слоя, обеспечит высокую адгезию с керамическим покрытием и определит высокую защиту от механических колебаний, вызванных ударной волной микрометоритных частиц в широком интервале температур от -170 до +200 °С. Использование в качестве 2-го слоя керамического покрытия на основе корунда (α-Al2O3), нанесенного методом детонационного газотермического напыления, позволит обеспечить композиту защиту от высокотемпературного окисления, высокую твердость и износостойкость. Метод детонационного газотермического напыления позволит получить керамическое покрытие на основе Al2O3 с размером частиц от 20 мкм до 5000 мкм и пористостью менее 1% в сочетании с высокой адгезионной прочностью покрытия с 1-м слоем композита, армированным многослойной углеродной тканью. Кроме того корундовое покрытие, 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. Для увеличения тепловой защиты композита на керамическую подложку α-Al2O3 будет нанесен светоотражательный слой на основе металлического молибдена (верхний 3-й слой) методом магнетронного распыления металлического катода при постоянном токе (DC). Молибденовое покрытие характеризуется высокой отражательной способностью в оптическом диапазоне электромагнитного спектра, низким тепловым расширением и повышенной удельной жесткостью (отношение модуля Юнга к плотности металла составляет 3023,5 Н/м2). Использование предлагаемой технологии послойного формирования металло-полимер-углеродного композита, позволит разработать материал, полностью соответствующий задачам экранирования радиоэлектронной аппаратуры в условиях космического пространства. Использование наполненной термостойкой полиимидной матрицы (взамен применяемых в настоящее время тяжелых металлических сплавов), позволит не только заметно снизить тормозное рентгеновское излучение, вызванное воздействием на атомы тяжелых металлов высокоэнергетических протонов и электронов радиационных поясов Земли, но и позволит значительно снизить массу полезной нагрузки КЛА. Таким образом, результаты проекта будут являться новыми как по составу и способу получения разрабатываемого высококонструкционного композита с эффектом самозалечивания, так и по достигаемому научно-техническому результату.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будут получены следующие результаты: 1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по разработке состава и технологии получения высококонструкционного защитного металло-полимер-углеродного композита с эффектом самозалечивания для применения в условиях открытого космоса. В том числе: - Результаты исследования физико-химических особенностей модифицирования поверхности диоксида вольфрама различными олигомерами с низкой молекулярной массой в растворах органических растворителей; - Результаты экспериментальных исследований по получению высококонструкционного радиационно-защитного слоя на основе полиимидной матрицы, наполненной модифицированным диоксидом вольфрама (WO2) и высокодисперсным аморфным кремнием с двусторонним внешним армированием многослойной углеродной тканью; - Способ получения керамического корундового слоя α-Al2O3 методом детонационного газотермического напыления; - Способ получения на поверхности керамической корундовой матрицы молибденового металлического покрытия методом магнетронного распыления металлического катода при постоянном токе (DC). 2. Результаты имитационных наземных испытаний разработанного металло-полимер-углеродного композита с эффектом самозалечивания к воздействию факторов космического пространства, а именно вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ), атомарного кислорода, микрометеоритных частиц. В том числе: - Результаты исследования кинетики газовыделения и стойкости к термоциклированию композита разработанного состава; - Результаты исследования стойкости разработанного металло-полимер-углеродного композита к воздействию ВУФ с длиной волны от 90 до 115 нм; - Результаты исследования стойкости разработанного металло-полимер-углеродного композита к воздействию атомарного кислорода; - Результаты исследования стойкости разработанного металло-полимер-углеродного композита к воздействию микрометеоритных частиц. 3. Результаты имитационных наземных испытаний металло-полимер-углеродного композита с эффектом самозалечивания к воздействию факторов космического пространства, а именно протонного, электронного и гамма-излучения. В том числе: - Результаты исследования стойкости разработанного металло-полимер-углеродного композита с эффектом самозалечивания к комплексному воздействию факторов космического пространства при знакопеременных температурах с оценкой служебных характеристик; - Результаты исследования радиационно-защитных характеристик и радиационной стойкости разработанного металло-полимер-углеродного композита с эффектом самозалечивания. 4. Промежуточные и итоговый научно-технические отчеты о НИР по проекту, публикации результатов проекта в высокорейтинговых рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях. 5. Подготовка натурных образцов требуемой геометрии для передачи в НИИ «Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина» ГК «Роскосмос» в рамках заключенного соглашения о сотрудничестве между БГТУ им. В.Г. Шухова и НИИ «Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина». Проведение наземных имитационных испытаний и подготовка натурных образцов для испытаний на российском сегменте станции «МКС» в космосе. Разработанные металло-полимер-углеродные материалы будут использованы в качестве экранов для локальной защиты критичных узлов и элементов аппаратуры космических летательных аппаратов от электромагнитных помех, возникающих при воздействии радиационного пояса земли, солнечных и галактических космических лучей. Создание полимерных радиационно-защитных экранов, обладающих устойчивостью к воздействию негативных факторов космического пространства позволит использовать даже обычные промышленные микросхемы, стоимость которых в разы меньше специальной «космической» электроники, что определит значительный технико-экономический эффект по результатам проекта. Полученные научные результаты будут соответствовать мировому уровню и использованы для дальнейшего развития исследований в области повышения физико-механических и технологических свойств материалов, определяющих прочность, стойкость, надежность и долговечность конструкций; повышение радиационной стойкости и радиационно-защитных свойств композиционных материалов для космической техники; повышения функциональных свойств материалов, определяющих эффективность перспективных технических систем.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---