ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2004, том 38, № 1, с. 10-15
РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ
УДК 620.2(15);629.78
ДЕГРАДАЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА НИЗКИХ ЗЕМНЫХ ОРБИТАХ
© 2004 г. В. К. Милинчук*, Э. Р. Клиншпонт*, И. П. Шелухов*, Т. Н. Смирнова**, О. Ф. Пасевич*
*Обнинский государственный технический университет атомной энергетики 249020, Калужская обл., Обнинск, Студгородок, 1 E-mail: milinchuk@iate.obninsk.ru **Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева Российского авиационно-космического агентства 121087, Москва, ул. Новозаводская, 18 Поступила в редакцию 01.10.2002 г.
Изложены результаты исследований двух партий полимерных пленочных материалов, прошедших натурную экспозицию в течение 28 и 42 месяцев на орбитальной космической станции "Мир". Стойкость полимерных пленок к факторам космического пространства зависит от химического строения и состава полимерного материала: полиимидные пленки, особенно фторированные и металлизированные, подвергаются значительно большим изменениям, чем фторполимеры. Установлено, что скорость деградации полимерных материалов имеет нелинейную зависимость от времени экспонирования в космосе. Круговые диаграммы яркости и краевые углы смачивания внешних поли-имидных пленок имеют анизотропный характер, направления осей диаграммы яркости и краевого угла смачивания определяются ориентацией пленки на панели по отношению к направлению движения космического аппарата. Облучение солнечным светом с X > 200 нм не приводит к заметной деградации полимеров. Предположено, что деградация полимерных материалов инициируется бомбардировкой тяжелыми частицами (молекулами, атомами, ионами кислорода, азота и др.) остаточной атмосферы космических аппаратов.
Полимерные материалы, которые входят в состав различных изделий космических аппаратов (КА), например, терморегулирующих покрытий, экранно-вакуумной изоляции, механических конструкций и узлов, солнечных батарей, на низких земных орбитах (НЗО) подвергаются воздействию глубокого вакуума, электромагнитного излучения Солнца,электронов, протонов,холодной плазмы, атомарного кислорода и других нейтральных и заряженных частиц, термоциклированию, что приводит к ухудшению начальных физико-химических, механических, оптических, теплофизи-ческих и др. свойств, к потере важных функциональных параметров и, в конечном итоге, к полному разрушению материала [1]. Большое число воздействующих факторов космического пространства (ФКП), одновременный и сложный характер их воздействия на полимерные материалы различной химической структуры и конструкционного строения не позволяет достаточно надежно проводить наземные имитационные испытания и обоснованно прогнозировать их рабочий ресурс на КА, предназначенных для полетов на НЗО. Имеющаяся в литературе информация о поведении материалов в таких полетах была получена в условиях одновременного многофакторного воздействия окружающей среды КА [2, 3],
что затрудняет сопоставление результатов натурных и наземных имитационных испытаний. Поэтому одной из важных задач космического материаловедения является проведение дальнейших систематических испытаний полимерных материалов в натурных условиях путем контролируемого уменьшения количества воздействующих факторов, изменения их интенсивности и, кроме того, варьирования расположения образцов материалов на поверхности КА. Кроме того, представляется весьма важным получать информацию о характере изменения свойств материалов в зависимости от времени пребывания на орбите.
В настоящей статье представлены предварительные результаты исследований двух партий полимерных материалов, которые прошли натурную экспозицию в течение 28 и 42 месяцев на орбитальной космической станции "Мир". В качестве исследуемых материалов были выбраны фторполимерные и полиимидные пленки, которые на НЗО деградируют с резко различной скоростью в результате, как принято сейчас считать, взаимодействия с атомарным кислородом [4-7]. С целью выяснения влияния солнечного излучения на испытательной панели орбитальной станции "Мир" часть полимерных пленок была поме-
щена за защитой, в качестве которой использовали полимерные пленки и кварцевые пластины, а часть пленок была размещена без такой защиты, т.е. открыта для прямого воздействия факторов окружающей среды КА.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На орбитальной космической станции "Мир" были проведены натурные испытания двух партий полимерных пленочных материалов. Первая партия находилась в космосе в течение 28 месяцев (с 17 июля 1995 г. по 12 ноября 1997 г.), вторая - в течение 42 месяцев (с 17 июля 1995 г. по 8 января 1999 г.).
Для испытаний были взяты отечественные и зарубежные фторполимерные и полиимидные пленки, которые, по литературным данным, с различной скоростью деградируют на НЗО. Принято считать, что это связано с их различной стойкостью по отношению к воздействию атомарного кислорода. Были испытаны следующие полимерные пленки: фторопластовые марки Ф4-МБ (толщина 86 мкм) и FEP-100A (толщина 25 мкм, фирма "Дюпон") (сополимеры тетрафторэтилена с гекса-фторпропиленом); полиимидные марки ПМ-1Э (толщина 40 мкм) и марки "Каpton 100 Н№' (толщина 26 мкм, фирма "Дюпон"); фторированного полиимида (толщина 43 мкм); односторонне алю-минированного полиимида марки ПИ-1УЭ-ОА (толщина 21 мкм).
Пленки размещались на панелях кассеты "Ком-пласт", которые экспонировались на станции в течение 28 и 42 месяцев. Панели двух партий образцов были ориентированы перпендикулярно друг другу. Панели представляли собой металлические пластины - подложки, к которым с помощью крученных аримидных нитей крепились образцы пленок.
На панелях находились следующие сборки образцов: на панели № 1 - фторопластовая пленка Ф4-МБ размером 55 х 25 мм; на панели № 2 - стопка из трех пленок FEP-100A размером 55 х 30 мм; на панели № 3 - стопка из двух пленок марки ПМ-1Э размером 55 х 55 мм; на панели № 6 - стопка из трех пленок марки "Kapton 100 HN" размером 55 х 55 мм. Для определения величины деградации полиимидных пленок при воздействии электромагнитного излучения Солнца с X > 200 нм были изготовлены две панели: на панели № 4 размещалась без защиты фторированная полиимидная пленка размером 55 х 30 мм; на панели № 5 фторированные полиимидные пленки размером 55 х х 30 мм помещались под стеклянную рамку из четырех пластин, изготовленных из кварцевого стекла марки КУ толщиной 1.2 мм. Для исследования поведения металлизированных полимерных пленок была изготовлена панель № 7, на ко-
торой размещалась стопка из двух односторонне алюминированных полиимидных пленок марки ПМ-1УЭ-ОА размером 110 х 50 мм с металлизированной внутренней поверхностью.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Оптические спектры пропускания (т, %) в спектральном диапазоне 300-900 нм измеряли с помощью автоматического спектрофотометра марки "SPECORD" М-60 (Carl-Zeiss-Jena). Для измерения направленного светопропускания в видимой области (интегрального коэффициента пропускания) использовался фотометр объективный универсальный (ФОУ) (производство ЛОМО). Измерение интегральных коэффициентов пропускания проводили с избирательным поглотителем, корригирующим спектральную чувствительность мультище-лочного фотоэлемента Ф-15 к кривой видности. Диапазон измерения интегральных коэффициентов пропускания - (5-100)%, основная погрешность фотометра при измерении коэффициентов пропускания составляла не более ±1%.
Измерение коэффициента яркости в в спектральном диапазоне 400-750 нм спектрально неизбирательных светорассеивающих образцов проводили на ФОУ с избирательным поглотителем, корригирующим спектральную чувствительность мультищелочного фотоэлемента Ф-15 к кривой видности. Коэффициент яркости определялся как отношение яркости светорассеивающей поверхности в некотором направлении к яркости "идеального рассеивателя", находящегося в тех же условиях освещения. За "идеальный рассеиватель" принимается поверхность, которая отражает 100% падающего на нее потока и рассеивает его так, что его яркость во всех направлениях оказывается одинаковой.
Круговую диаграмму коэффициента яркости в поверхностей пленок измеряли в направлении нормали к образцу при освещении под углом 45° к его поверхности. Основная погрешность фотометра при измерении коэффициента яркости при угле падения света 45° и угле наблюдения 0° не более ±1%. Круговая диаграмма в измерялась для наружной и внутренней поверхности каждой пленочного образца отдельно в привязке к его ориентации на сборке.
Массу пленок и нитей взвешивали с точностью ±0.05 мг на лабораторных весах типа ВЛР-200.
Для исследования изменения поверхностных и объемных свойств пленок использовались оптический микроскоп ПОЛАМ Л-213 (производство ЛОМО) и прецизионный измеритель линейных размеров типа ОВЭ-1. Точность измерения толщины пленочных образцов ±1 мкм.
Таблица 1. Влияние космического полета на параметры пленки Ф4-МБ
Параметры
Исходная пленка
28 42
Толщина, мкм 86 85-95 105-115
Масса, мг 203.43 258.65 307.55
Светопропускание, % 95 85 ± 1 80 ± 1
Яркость, % 1 2 2
Длительность экспонирования, месяцы
Таблица 2. Влияние космического полета на параметры пленки ПМ-1Э
Параметры
Исходная пленка
Длительность экспонирования, месяцы
28
1 2 1 2
Толщина, мкм 40 34 40 28 41
Масса, мг 180 142.3 170.5 111.25 164.55
Светопропуска-ние, % 74 3.0 71 1.5 71
Яркость, % 1 10-30 1 10-20 1
42
Примечание. 1 - Экспонированная без защиты пленка; 2 ■ экспонированная закрытая пленка.
Для исследования изменений физико-химических свойств поверхностей пленочных образцов использовали методику определения краевого угла смачивания для капли бидистиллированной воды, помещаемой на поверхность пленки. Измерения максимальных и минимальных краевых углов смачивания по двум взаимно перпендикулярным направлениям проводили на воздухе при комнатной температуре с помощью катетометра КМ-8. Точность измерения вертикальных отрезков ±15 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В настоящей статье приведены некоторые результаты исследований образцов полиимидных и фторпластовых пленок, прошедших натурную экспозицию в течение 28 и 42 месяцев. Эти результа
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.