Материал для защиты от космической радиации

Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения. Сущность изобретения: материал для защиты от космической радиации содержит подслой в виде раствора полибутилтитаната или раствора элементоорганических соединений и слой покрытия из материала, содержащего в качестве матрицы кремнийорганический полимер. В качестве неорганического наполнителя слой покрытия из материала содержит порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды, структурирующий агент на основе смеси эфира ортокремниевой кислоты и продуктов его гидролиза. Кроме того, он содержит технологический структурирующий агент в виде пирогенетического аморфного диоксида кремния, вулканизирующий агент в виде диэтилдикаприлата олова или катализатор в виде раствора аминосилана в эфирах ортокремниевой кислоты. Слой покрытия из материала имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: кремнийорганический полимер 8,2-37,1; порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды 60,7-92,0; структурирующий агент 0,2-0,5; технологический структурирующий агент 0,2-0,5; вулканизирующий агент или катализатор 0,9-1,2. Преимущества изобретения заключаются в повышении физико-механических и защитных свойств материала. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к материалам для защиты от радиации и космического излучения.

Известна композиция для защиты от радиации (патент РФ №2105363) следующего состава (мас.%):

Жидкое стекло	54,3-57,1
Модифицирующая добавка - кремнийорганическая	0,7-1,0
жидкость 136-41
Отвердитель - феррохромовый шлак	14,4-23,9
Наполнитель - молотые отходы оптического стекла,	18,6-30,0
содержащего Na2O, K2O, Al2O3, PbO, SiO2,
при этом количество PbO составляет 70,93 мас.%

Недостатком указанной композиции является необходимость высокотемпературной обработки и высокая жесткость (хрупкость).

Наиболее близким материалом к заявленному изобретению является материал для нейтрализации патогенного влияния излучений, охарактеризованный в патенте РФ №2138933 (прототип). Материал имеет два слоя. Один слой выполнен в виде ткани, содержащей синтетические нити или волокно. Материал также содержит слой, выполненный из никеля с включением в него, по меньшей мере, одного металла.

Недостатком данного материала является узкий температурный диапазон эксплуатации (от минус 30°С до +180°С), низкая прочность и низкая технологичность композиции.

Задачей изобретения является повышение физико-механических и защитных свойств материала, расширение температурного диапазона эксплуатации (от минус 130°С до +250°С) при сохранении эластичности, улучшении технологичности (возможность нанесения на защищаемые детали любой формы и размеров штапельным, кистевым методами или в виде листов, отформованных заготовок), с вулканизацией без нагрева.

Технический результат изобретения заключается в том, что предложенная композиция обладает высокой технологичностью, термической стойкостью, эластичностью, отверждается без нагрева, наносится на защищаемую поверхность шпательным или кистевым методом, обладает высокими защитными свойствами, позволяет создавать покрытие с электропроводными свойствами (для снятия электростатического заряда с поверхности защищаемых приборов) или, напротив, с диэлектрическими свойствами.

Технический результат достигается за счет того, что материал для защиты от космической радиации включает слой покрытия из материала, содержащего матрицу и неорганический наполнитель. При этом материал для защиты от космической радиации содержит подслой в виде раствора полибутилтитаната или раствора элементоорганических соединений и слой покрытия из материала, содержащего в качестве матрицы кремнийорганический полимер. В качестве неорганического наполнителя материал содержит порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды. Материал также включает структурирующий агент на основе смеси эфира ортокремниевой кислоты и продуктов его гидролиза, технологический структурирующий агент в виде пирогенетического аморфного диоксида кремния, вулканизирующий агент в виде диэтилдикаприлата олова или катализатор в виде раствора аминосилана в эфирах ортокремниевой кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кремнийорганический полимер	8,2-37,1
порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды	60,7-92,0
структурирующий агент	0,2-0,5
технологический структурирующий агент	0,2-0,5
вулканизирующий агент в виде диэтилдикаприлата олова или
катализатор в виде раствора аминосилана в эфирах
ортокремниевой кислоты	0,9-1,2

На чертеже изображены структуры материала для защиты от космической радиации.

На чертеже изображены: полимерная матрица 1; частицы пирогенетического аморфного диоксида кремния 2; частицы наполнителя 3; подслой 4; поверхность защищаемого прибора 5.

Применение порошка наполнителя заданного гранулометрического состава (размер частиц от 0,1 мкм до 70 мкм) обеспечивает требуемую степень наполнения материала и, как следствие, требуемое значение поверхностной плотности покрытия, которое обеспечивает защитные (поглощающие) свойства покрытия. Применение порошка тяжелого металла (например, вольфрама) позволяет при определенной степени наполнения получить покрытие с электропроводными свойствами. Применение порошка оксида или карбида тяжелого металла обуславливает диэлектрические свойства покрытия.

Применение в качестве матрицы кремнийорганических соединений в сочетании с вулканизирующим агентом в виде диэтилдикаприлата олова или катализатором в виде раствора полиметилсилана позволяет повысить стойкость материала к перепадам температуры (от минус 130°С до +250°С) и обеспечивает отверждение кремнийорганической матрицы и композиции на ее основе без нагрева. Применение этилсиликата, представляющего собой смесь эфира ортокремневой кислоты и продуктов его гидролиза с различным содержанием тетраэтоксисилана, позволяет повысить качество структуры полимерной матрицы, повысить прочность материала и снизить потерю массы (унос вещества) при нагреве материала. Применение пирогенетического аморфного диоксида кремния повышает технологичность композиции, исключает расслаивание компонентов в слое покрытия, исключает подтеки и неоднородность покрытия. Применение раствора полибутилтитаната (подслоя П-9) или раствора элементоорганических соединений (тип П-11) в качестве подслоя позволяет получить высокую адгезионную прочность соединения покрытия с поверхностью защищаемого прибора.

Технология приготовления композиции включает следующие операции.

Порошок наполнителя (в качестве наполнителя может быть использован порошок вольфрама или его оксида) путем просева на сите с размером ячейки 100 мкм очищается от посторонних включений и остатка крупных фракций. Приготовление кремнийорганической матрицы производится в смесителе путем тщательного промешивания гранул полимера в растворителе до получения однородной массы. Затем вводится этилсиликат, требуемое количество вольфрамового порошка, пирогенетического аморфного диоксида кремния. Композиция перемешивается до получения однородной массы в течение 20-30 минут. Готовый полуфабрикат выгружается в емкость.

Материал приготавливается непосредственно перед нанесением на поверхность защищаемого прибора. Подготовка поверхности заключается в обезжиривании ацетоном, сушке в течение 3-5 мин, нанесении подслоя в виде раствора полибутилтитаната или раствора элементоорганических соединений и последующей сушке в течение от 40 мин до 3 часов. После чего на поверхность наносится готовый полуфабрикат защитного материала и выдерживается на воздухе в течение 24 часов.

Из предложенного материала были изготовлены образцы, на которых были исследованы физические, механические свойства. Конкретные примеры составов и их свойства приведены в табл. 1.

Поглощающая способность материала при облучении электронами с энергией 2 МэВ составила 93% при поверхностной плотности 0,93 г/см² и 96% при поверхностной плотности 1,08 г/см². По отношению к рентгеновскому излучению покрытие с поверхностной плотностью 1 г/см² обеспечивает 10-кратное ослабление излучения с энергией 100 кэВ, а покрытие с поверхностной плотностью 2 г/см² - 10-кратное ослабление излучения с энергией 200 кэВ.

Подтвержденный экспериментальными измерениями расчет показывает, что покрытие с поверхностной плотностью 1 г/см² обеспечивает полную защиту электронных приборов КА, находящегося на геостационарной орбите, от воздействия поражающих факторов магнитных бурь.

Радиационная стойкость материала эквивалентна дозе облучения, превышающей до 240 Мрад. Адгезионная прочность материала до 30 кгс/см². Электрическое сопротивление для "проводящего" варианта покрытия составило 40 Ом/см², для диэлектрического >2-10⁸ Ом/см². Удельный вес материала покрытия в зависимости от степени наполнения составляет 4,5-7,5 г/см³.

Преимущества предлагаемого материала заключаются в следующем:

- предлагаемый материал позволяет создать защитное покрытие на корпусе электронного прибора, не подвергая его дополнительному технологическому нагреву;

- высокая технологичность композиции позволяет получить покрытие со стабильными физическими свойствами на деталях любого размера и формы, варьировать свойства получаемого покрытия (проводящее/диэлектрик, различная поверхностная плотность);

- высокая степень защиты достигается при толщине слоя покрытия 1,1-2,0 мм при поверхностной плотности материала от 0,9 до 2,0 г/см²;

- предложенный материал обеспечивает стабильную радиационную защиту объектов в интервале температур от минус 130°С до +250°С при длительной эксплуатации (например, в составе приборов КА до 30 лет), при этом суммарная доза облучения может достигать 240 Мрад;

- пластичность материала обеспечивает релаксацию механических напряжений, возникающих вследствие разности КЛТР материала покрытия и материала корпуса прибора;

- высокое значение адгезии (до 30 кгс/см²) обеспечивает работоспособность покрытия в условиях вибраций, ударных нагрузок;

- предлагаемый материал наиболее эффективен для локальной защиты электронных приборов типа интегральных микросхем, что особенно актуально для КА с жесткими ограничениями по массе и габаритам.

Таблица 1
МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОСМИЧЕСКОЙ РАДИАЦИИ
№ образца	1	2
Материал порошка наполнителя	вольфрам	вольфрам
Размер частиц порошка наполнителя	d<70 мкм	dcp˜25 мкм
Состав материала, мас.%:
каучук СКТН	163	8,2
структурирующий агент (этилсиликат)	0,3	0,2
технологический структурирующий агент (пирогенетический аморфный диоксид кремния)	0,5	0,2
вулканизирующий агент (раствор полиметилсилана)	1,2	0,8
наполнитель	81,7	90,6
Характеристики материала покрытия:
Плотность, г/см3	4,66	7,45
Толщина слоя покрытия, мм	2,0	1,45
Поглощающая способность при облучении электронами с энергией 2 МэВ, %	93	96
Электрическое сопротивление, Ом/см2	40	>2-108
Адгезионная прочность, кгс/см2	29,6	24,3

Материал для защиты от космической радиации, включающий слой покрытия из материала, содержащего матрицу и неорганический наполнитель, отличающийся тем, что материал для защиты от космической радиации содержит подслой в виде раствора полибутилтитаната или раствора элементоорганических соединений и слой покрытия из материала, содержащего в качестве матрицы кремнийорганический полимер, в качестве неорганического наполнителя - порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды, структурирующий агент на основе смеси эфира ортокремниевой кислоты и продуктов его гидролиза, технологический структурирующий агент в виде пирогенетического аморфного диоксида кремния, вулканизирующий агент в виде диэтилдикаприлата олова или катализатор в виде раствора аминосилана в эфирах ортокремниевой кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кремнийорганический полимер	8,2-37,1
Порошки тяжелых металлов, их оксиды и карбиды	60,7-92,0
Структурирующий агент	0,2-0,5
Технологический структурирующий агент	0,2-0,5
Вулканизирующий агент в виде диэтилдикаприлата олова или
катализатор в виде раствора аминосилана в эфирах
ортокремниевой кислоты	0,9-1,2.