ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2010, том 74, № 2, с. 289-292
УДК 533.924, 621.039.634
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭРОЗИИ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКОН В ПОТОКАХ КИСЛОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ © 2010 г. В. Н. Черник1, Л. С. Новиков1, Г. Г. Бондаренко2, А. И. Гайдар2, Т. Н. Смирнова3
E-mail: vlachernik@ya.ru
Рассмотрен эффект резкого падения прочности полимерных волокон по мере увеличения их эрозии под воздействием потока кислородной плазмы. При относительно малых потерях массы волокон (20%) разрывная нагрузка падает в 20 раз. Исследование структуры волокон на РЭМ показало, что травление волокон происходит неоднородно — наблюдается резко выраженное локальное уменьшение их толщины, приводящее к разрыву.
ВВЕДЕНИЕ
Полимерные волокна — основа текстильных материалов, которые достаточно широко применяют в гибких конструктивных элементах космических аппаратов (КА), расположенных на их наружных поверхностях. К таким элементам относятся разнообразные узлы крепления из нитей, лент и шнуров, гибкие чехлы и экраны из тканей, а также перила и страховочные канаты, используемые космонавтами при выходе в открытый космос. При полете на низких околоземных орбитах наружные поверхности КА подвергаются воздействию набегающего потока атомарного кислорода (АК) ионосферы с энергией 5 эВ, обладающего высокой агрессивностью воздействия на полимерные материалы. В результате эрозии наблюдаются эффекты потери массы и изменения структуры полимеров, что при длительных полетах приводит к существенной деградации механических и других функциональных свойств материалов, наиболее заметно проявляющихся в тонких структурах, таких как синтетические волокна [1]. В ряде полетных экспериментов по экспонированию материалов на поверхности КА было установлено, что прочность аримидных нитей, образованных полиимидными волокнами, снижается в несколько раз даже при незначительном уменьшении их толщины [2]. В натурном эксперименте на ОС "Мир" аримидные нити экспонировали 28 и 42 мес на наружной поверхности. После возвращения образцов испытания на разрыв показали, что разрывная нагрузка нитей уменьшилась в 3—6 раз, а удлинение при разрыве — в 2 раза. Толщина нитей при этом уменьшилась всего на 1.5— 13% соответственно. Очевидно, что многократное снижение прочности нитей трудно объяснить
1 НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им М.В. Ломоносова.
2 ГНУ "НИИПМТ", Москва.
3 ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, Москва.
уменьшением их поперечного сечения в среднем на 3-26% [2-4].
В данной работе рассмотрены эффекты снижения прочности полимерных нитей и изменения структуры отдельных волокон при их эрозии под воздействием ускоренного потока кислородной плазмы, имитирующего набегающий поток АК.
1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследовали нити с двумя типами полимерных волокон: параамидных и капроновых. Наиболее стойкими к АК считают параамидные нити марки РУСАР "О" с высоким кислородным индексом 42% (отечественный аналог нитей "КЕВЛАР").
Экспонирование образцов проводилось в потоке кислородной плазмы, формируемом ускорителем с двойным контрагированием разряда [1, 5]. Поток ускоренной кислородной плазмы состоял из атомарных и молекулярных ионов с энергией до 20 эВ/атом, быстрых атомов и молекул кислорода (менее 10%), а также плазменных электронов с энергией несколько электронвольт. Для определения интенсивности воздействия использовали метод эффективного флюенса (ЭФ), стандартный в мировой практике имитационных испытаний материалов КА [6]. По этому методу реальный флюенс частиц приводит к некоторому эффективному флюенсу атомов О, вызывающему эквивалентные потери массы образца при энергии, равной 5 эВ. ЭФ определяется по потерям массы образца-свидетеля из эталонного материала - полиимида с известным коэффициентом эрозии, равным 4.5 • 10-24 г • см-2 при 5 эВ. При воздействии пучка во время испытаний температура образцов не превышала 400 К.
Эрозионные свойства материалов оценивали по изменению массы образцов, измеряемому вне
Отн. потери массы 0.6
Нить РУСАР "О"
12 3 4
Экв. флюенс АК, 1021 см-2
Рис. 1. Зависимость относительных потерь массы нитей РУСАР "О" от ЭФ АК.
Удлинение нити, мкм 400
Нить РУСАР "О"
300
200 100
0
t
123456789 10 11 Экв. флюенс АК, 1020 см-2
Рис. 2. Изменение удлинения нити РУСАР "О" под нагрузкой 2.4 Н при увеличении ЭФ АК при экспозиции в потоке кислородной плазмы. При конечном флюенсе нить разорвалась.
камеры до и после облучения на аналитических весах HR-202Í с ценой деления 0.01 мг. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) волокон проводилась на микроскопе "EVO 40" (Zeiss).
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В первой части эксперимента определяли за-
висимость удельных потерь массы нитей от экви-
валентного флюенса АК. Образцы нити РУСАР
"О" выполняли в виде 15 нитей длиной 28 мм, на-
тянутых параллельно на прямоугольной рамке из
стальной проволоки диаметром 1 мм размером
15 х 40 мм. Облучение проводили несколькими
циклами для исследования кинетики потери мас-
сы образцом. На рис. 1 изображена зависимость
относительных потерь массы от ЭФ для нитей
РУСАР "О". Во второй части эксперимента про-
водили регистрацию удлинения нити РУСАР "О"
при фиксированной нагрузке в процессе облуче-
ния АК. Нить, закрепленная в верхнем зажиме,
нижним концом наматывалась на ось потенцио-
метра, нагруженную моментом веса груза. Приведенная к концу нити нагрузка равнялась 2.4 Н,
что составляет 5% разрывной.
При удлинении нити под действием момента веса груза ось поворачивается, и коэффициент
деления потенциала меняется. Таким образом, потенциал с движка потенциометра пропорционален удлинению нити, что и регистрируется самописцем. На рис. 2 приведена зависимость удлинения нити РУСАР "О" длиной 40 мм под нагрузкой 2.4 Н при увеличении эквивалентного флюенса АК. Как видим, исходная деформация мала (70 мкм, или 0.175%) и остается почти неизменной по мере роста флюенса до 9.5 • 1020 см-2. Затем при малом приращении ЭФ на 0.5 • 1020 см-2 удлинение резко возрастает — более чем в 5 раз, примерно до 1%, и наблюдается разрыв нити. При таком ЭФ относительные потери массы составляют 20%, как видно из рис. 1. Таким образом, результаты эксперимента показывают, что 20-кратная потеря прочности нити возникает при потере массы всего в 20%, что соответствует такому же уменьшению среднего по длине сечения нити. Примечательно, что хотя по мере роста ЭФ среднее сечение нити постепенно уменьшается, заметного растяжения нити не наблюдается вплоть до момента, предшествующего разрыву.
Особенности травления исследовали на образцах с двумя типами полимерных волокон: пара-амидные нити марки РУСАР "О" и капроновая ткань С-103.
Для изучения характера эрозии материала проводили РЭМ отдельных волокон на неэкспонированной и экспонированной частях нити.
Микроизображения параамидных волокон показаны на рис. 3.
Травление волокна происходит неравномерно с глубокими очагами разрушения. На некоторых участках средняя толщина экспонированного волокна уменьшилась от исходных 10 до 5 мкм и менее. В области разрыва неравномерность травления выражена еще сильнее.
Заметной особенностью образующейся структуры является то, что глубина очага травления и его протяженность - величины одного порядка (несколько микрон). Относительная протяженность участков с резким уменьшением толщины невелика, поэтому их вклад в увеличение длины мал, что и объясняет незначительное удлинение нити при росте ЭФ, пока волокна сохраняют целостность (см. рис. 2).
Полученные результаты показывают, что резкое падение прочности параамидных нитей при воздействии АК объясняется неравномерным травлением образующих их волокон, приводящим к глубоким локальным разрушениям материала.
Другим объектом исследования была ткань марки С-103 на основе капроновых волокон. Микроизображения необлученных и облученных участков капроновых волокон, полученные на РЭМ, приведены на рис. 4.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭРОЗИИ
291
10 мкм
г I_I
Рис. 3. РЭМ изображение параамидного волокна нити РУСАР "О": а — на неэкспонированной части нити; б, в, г — на экспонированной части нити. Размер метки 10 мкм.
На фрагменте а видна структура плетения ткани и неэкспонированные волокна. Благодаря экранированию наружным слоем внутренних волокон травление имеет ступенчатый характер.
Рис. 4. РЭМ изображение капроновых волокон ткани С-103: а — на неэкспонированной части ткани; б, в, г — на экспонированной части ткани. Размер метки 10 мкм.
Это заметно на фрагментах б, в, г. Для этого типа волокон картина травления также имеет свои особенности. По сравнению с параамидным волокном эрозия капрона идет более равномерно и приводит к одинаковому уменьшению толщины по всей длине облученных участков. Неравномерность травления проявляется в образовании мелких (меньше микрона) углублений и выступов при значительном уменьшении средней толщины волокна (на несколько микрон).
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что при травлении в потоках кислородной плазмы волокон из различных материалов эрозионный рельеф, образующийся на их поверхности, существенно различается и зависит от строения материала. На параамидном волокне травление имеет очаговый характер с крупными элементами рельефа, что приводит к резкому падению прочности нити. На капроне эрозия проявляется в виде равномерного уменьшения толщины волокна с мелкими структурными образованиями.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 07-08-13656 офи-ц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Модель космоса: научно-информационное издание: в 2 т / Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. Т. 2: Воздействие космической среды на мате-
риалы и оборудование космических аппаратов. М.: КДУ, 2007, 1144 с.
2. Milinchuk V.K., Smirnova T.N. // Proc. 8-th Int. Symp. on Materials in Space Environment, 2000, ONERA.
3. Naumov S., Gorodetsky A., Domoratsky A., Sokolova S., Gerasimova T., Kurilyonok A., Svetchkin V., Skurat V., Beryoskina N., Leypunsky I., Pshetchenkov P. // Proc. 9-th Symp. on Materials in Space Environment. ESTEC. SP-540. 2003. P. 603.
4. Naumov S, Domoratsky N, Sokolova S.P., Kuriljonok A., Kosnina E, Alexashin V.A., Skur
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.