Композит для защиты от космической радиации
Владельцы патента RU 2515493:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" (RU)
Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения и может применяться в качестве защиты электронных приборов космического аппарата (КА), работающего на геостационарной орбите, от воздействия поражающего фактора магнитных бурь. Целью изобретения является повышение защитных характеристик по отношению к γ-излучению и потоку высокоэнергетических электронов с сохранением возможности вывода накопленного объемного заряда, расширение температурного диапазона использования, а также повышение прочностных характеристик композита. Композит для защиты от космической радиации, включающий кремнийорганическую жидкость, порошок оксида тяжелого металла, отличающийся тем, что в качестве составляющих компонентов содержит политетрафторэтилен (матрица), а используемую кремнийорганическую жидкость «Пента-808» применяют в качестве модификатора поверхности оксида висмута Bi2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%: политетрафторэтилен 37-45, модифицированный оксид висмута Bi2O3 55-63, кремнийорганическая жидкость «Пента-808», взятая по отношению к массе чистого Bi2O3 0,8-1,0. 2 табл.
Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения и может применяться в качестве защиты электронных приборов космического аппарата (КА), работающего на геостационарной орбите, от воздействия поражающего фактора магнитных бурь.
Известна композиция для защиты от радиации [RU №2105363 «Композиция для защиты от радиации»], состоящая из следующих компонентов, 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, |
содержащий Na2O, K2O, Al2O3, PbO, SiO2, при этом количество PbO составляет 70,93 мас.%.
Недостатками указанной композиции являются высокая хрупкость, низкие радиационно-защитные характеристики, так как она содержит малое количество атомов Pb и применяется в качестве покрытий, а также может использоваться только в качестве временной защиты от ионизирующего излучения.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является материал для защиты от космической радиации [RU №2275704, «Материал для защиты от космической»], состоящий из следующих 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 |
Недостатком данного материала также является то, что он используется в качестве покрытий, а значит не способен обеспечить высоких показателей ослабления γ-излучения из-за малой толщины; в случае использования наполнителя для съема накопленного заряда не будет реализовываться защитный эффект от электрического поля накопленного заряда; очевидна невысокая механическая прочность.
Целью изобретения является повышение защитных характеристик по отношению к γ-излучению и потоку высокоэнергетических электронов с сохранением возможности вывода накопленного объемного заряда, расширение температурного диапазона использования, а также повышение прочностных характеристик композита.
Поставленная цель достигается тем, что заявленный композит для защиты от космической радиации содержит в качестве составляющих компонентов кремнийорганическую жидкость, порошок оксида тяжелого металла - модифицированный оксид висмута Bi2O3 с размером частиц до 10 мкм, политетрафторэтилен (матрица), а используемая кремнийорганическая жидкость «Пента-808» (аналог жидкости 136-41, имеет более высокую стойкость к повышенной температуре) применяется в качестве модификатора поверхности оксида висмута Bi2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| политетрафторэтилен | 37-45 |
| модифицированный оксид висмута Bi2O3 | 55-63 |
| кремнийорганическая жидкость «Пента-808», | |
| взятая по отношению к массе чистого Bi2O3 | 0,8-1,0 |
Применение политетрафторэтилена обусловлено комплексом его уникальных свойств: повышенные термо- и огнестойкость, наибольшая стойкость к химическому воздействию, высокие диэлектрические свойства, а также способность сохранять эти свойства в широком интервале рабочих температур и давлений.
Использование в качестве наполнителя оксида висмута Bi2O3 обусловлено его высокими радиационно-защитными характеристиками, нетоксичностью (в отличие от соединений свинца), а также присущими ему полупроводниковыми свойствами (полупроводник р-типа), что позволит выводить накопленный объемный электрический заряд и использовать поле не выведенного заряда для ослабления потока электронов.
Использование модификатора поверхности кремнийорганической жидкости «Пента-808» обусловлено необходимостью придания гидрофобных свойств поверхности наполнителя, что улучшает распределение наполнителя в матрице, а также создания возможности протекания реакций радиационной сшивки между матрицей и хемосорбированной оболочкой модификатора.
На основании результатов определения продольного модуля упругости по скорости прохождения УЗ-волн в материале определены составы с наибольшими физико-механическими показателями. Количественное содержание компонентов предлагаемого композита приведено в табл.1.
| Таблица 1 | |||||
| Составы предлагаемого композита | |||||
| Компонент | Содержание, мас.% | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| Политетрафторэтилен | 37 | 39 | 41 | 43 | 45 |
| Модифицированный оксид висмута | 63 | 61 | 59 | 57 | 55 |
| Кремнийорганическая жидкость «Пента-808» (взята по отношению к массе чистого Bi2O3) | 0,9 | 0,9 | 0,9 | 0,9 | 0,9 |
На первом этапе изготовления композита синтезируется наполнитель - модифицированный оксид висмута. Предварительная подготовка порошка с целью осаждения на поверхности оксида активных гидроксильных групп, по которым протекает хемосорбция модификатора кремнийорганической жидкости, заключается в мокром помоле, с последующим кипячением, обработкой ультразвуком (22 кГц) и сушке продукта при 120°С в кипящем слое. Хемосорбцию модификатора проводят в растворе модификатора в н-гексане. После удаления из продукта растворителя необходимо проводить процедуру полимеризации модификатора при температуре 160°С в течение 10 мин.
Технология изготовления композита включает следующие операции.
Разогрев смеси материалов в пресс-форме до температуры 200°С, подпрессовка материала до Руд.=10 МПа (экспозиция τ=10 мин), подъем давления до максимального Руд.=1200 МПа (τ=1-2 мин), охлаждение пресс-формы под давлением до 100°С, сброс давления.
После выпрессовки композит подвергается спеканию при температуре 340°С в течение >3 часов (продолжительность спекания зависит от толщины изделия, так для 5 мм толщины время составляет 3 ч), с последующим медленным охлаждением до температуры 250°С в течение 1,5-2 часов.
Как известно, политетрафторэтилен обладает высокой ползучестью и низкой радиационной стойкостью, что может быть устранено γ-модифицированием готовых изделий [RU №2304592, «Способ радиационно-химического модифицирования политетрафторэтилена и материал на его основе»]. Спеченный композит необходимо нагреть до температуры выше температуры плавления кристаллитов (в случае заявляемого композита температура была 340°С), после чего при поддержании заданной температуры происходит облучение γ-излучением в вакууме (10-2 мм рт.ст.) с источником 60Со, мощностью 3-5 Гр/с до интегральной дозы 0,2 МГр. В результате радиационной обработки политетрафторэтилен приобретает повышенную радиационную стойкость, и протекают процессы сшивки матрицы с наполнителем, за счет чего значительно повышаются прочностные характеристики.
Из предложенного материала были изготовлены образцы, на которых исследовались физические, механические, радиационно-защитные свойства, а также оценена радиационная стойкость по уменьшению прочности композита в 2 раза. Полученные характеристики приведены в табл.2.
| Таблица 2 | ||||||
| Свойства композита для защиты от космической радиации | ||||||
| Показатель | Предлагаемый композит | Известный композит (прототип) | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Плотность ρ, кг/м3 | 4500 | 4420 | 4340 | 4260 | 4180 | 4,66 |
| Толщина композита с поглощающей способностью для электронов с Е=2 МэВ>90%, мм | 1,78 | 1,80 | 1,83 | 1,87 | 1,94 | 2,00 |
| Радиационная стойкость, МГр | 5 | 5 | 4,9 | 4,8 | 4,7 | 2,4 |
| Массовый коэффициент ослабления γ-излучения с Е=200 кэВ, см2/г | 1,23 | 1,21 | 1,19 | 1,17 | 1,15 | 1,15 |
| Прочность при растяжении, МПа | 10,9 | 10,9 | 10,9 | 11 | 11,2 | - |
| Прочность при изгибе, МПа | 17,2 | 17,5 | 17,5 | 17,3 | 17,1 | - |
| Нижний предел эксплуатации, °С | -170 | -170 | -170 | -170 | -170 | -130 |
| Верхний предел эксплуатации, °С | 270 | 270 | 270 | 270 | 270 | 250 |
Преимущества предлагаемого материала заключаются в следующем:
- предлагаемый материал имеет радиационную стойкость, превышающую стойкость прототипа в 2 раза;
- расширен температурный диапазон использования композита для защиты от космической радиации от -170 до 270°С;
- композит имеет повышенные прочностные характеристики, в отличие от пластичного прототипа;
- повышена поглощающая способность электронов, при меньшей плотности композита, что снизит массу изделия;
- композит имеет возможность съема заряда, при сохранении частичного экранирования электронов за счет электрического поля объемного заряда.
Таким образом, заявляемый состав компонентов придает композиту новые, более высокие показатели защиты от космической радиации.
Композит для защиты от космической радиации, включающий кремнийорганическую жидкость, порошок оксида тяжелого металла, отличающийся тем, что в качестве составляющих компонентов содержит политетрафторэтилен (матрица), а используемую кремнийорганическую жидкость «Пента-808» применяют в качестве модификатора поверхности оксида висмута Bi2O3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| политетрафторэтилен | 37-45 |
| модифицированный оксид висмута Bi2O3 | 55-63 |
| кремнийорганическая жидкость «Пента-808», | |
| взятая по отношению к массе чистого Bi2O3 | 0,8-1,0 |
