ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2007, том 41, № 6, с. 445-451
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ХИМИИ ^^^^^^^^^^ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
УДК 541.64:629.78
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОСТОРОННЕ АЛЮМИНИРОВАННЫХ ПОЛИИМИДНЫХ ПЛЕНОК, ЭКСПОНИРОВАННЫХ НА ОРБИТАЛЬНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ "МИР"
© 2007 г. О. А. Ананьева*, В. К. Милинчук*, Д. Л. Загорский **
*Обнинский государственный технический университет атомной энергетики 249020, Калужская обл., Обнинск, Студгородок, 1 E-mail: milinchuk@iate.obninsk.ru **Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова Российской академии наук 117333, Москва, Ленинский просп., 39 Поступила в редакцию 30.01.2007 г.
При экспонировании на орбитальной космической станции "Мир" внешние односторонне алюми-нированные полиимидные пленки значительно теряют свою массу, механическую прочность, их наружные поверхности гидрофилизуются. Поверхностное натяжение и круговые диаграммы яркости экспонированных пленок приобретают анизотропный характер. Методами сканирующей электронной и атомной силовой микроскопии на наружных поверхностях внешних пленок обнаружены пространственно-ориентированные нано- и микроструктуры, размеры и форма которых зависят от времени экспонирования. Оси ориентации капель на поверхности пленок, круговых диаграмм яркости, пространственно-ориентированных структур совпадают с направлением движения станции. Предполагается, что одним из основных факторов космического пространства, ответственным за потерю массы, формирование анизотропных нано- и микроструктур, является процесс соударений потока атомарного кислорода с поверхностью внешней пленки. Проведена оценка эффективности реакции атомарного кислорода с полиимидами. Обсуждается возможный (фотоэлектронный) механизм влияния металла на разрушение полиимида.
На космических аппаратах (КА) для обеспечения заданного теплового режима в качестве экранно-вакуумной теплоизоляции и терморегу-лирующих покрытий широко используются различные пленочные полимерные материалы, особенно полиимидные и фторполимерные пленки, в частности, сополимеры тетрафторэтилена с гек-сафторпропиленом [1]. Известно, что металлическое покрытие придает поверхности полимерных материалов повышенную электропроводность, тепло-, атмосферо- и износостойкость, способность отражать солнечное излучение; металлизация поверхности повышает также прочностные характеристики полимерных материалов [2], в связи с этим металлизированные полимерные пленки широко применяются в различных устройствах космической техники, в частности, в антеннах космических радиотелескопов. Тонкие металлизированные полимерные пленки рассматриваются как перспективные материалы для космических установок типа "солнечный парус", использующих давление солнечного света [3].
Для создания научных основ применения полимерных материалов в условиях космического пространства, прогнозирования изменений свойств и определения их рабочего ресурса большое значение имеет исследование поведения материалов
в натурных условиях [1, 4, 5]. Ранее в цикле статей были приведены результаты исследований поли-имидных [6-10], фторполимерных [11] и двойных фторполиимидных пленок [12], которые прошли экспонирование на орбитальной космической станции "Мир" в течение 28 и 42 месяцев. С целью изучения поведения металлизированных полимерных пленок на орбитальной космической станции "Мир" были проэкспонированы односторонне алюминированные полиимидные пленки марки ПМ-1УЭ-ОА, которые широко применяются в космической технике. В настоящей статье изложены результаты исследований изменений физико-механических, поверхностных, оптических свойств, а также структуры этих пленок после экспонирования на орбитальной космической станции "Мир".
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На орбитальной космической станции "Мир" были проведены натурные испытания двух партий односторонне алюминированных полиимидных пленок. Первая партия экспонировалась в течение 28 месяцев (17 июля 1995 г.-12 ноября 1997 г.), вторая - в течение 42 месяцев (17 июля 1995 г.-8 января 1999 г.) на высотах 350-450 км. Пленки раз-
Рис. 1. Фотография образца внешней алюминирован-ной полиимидной пленки ПМ-1УЭ-ОА после экспонирования на орбитальной космической станции "Мир" в течение 42 месяцев.
мещались на панелях кассеты "Компласт". Панели двух партий образцов были ориентированы перпендикулярно друг другу. Из-за наклона панелей экспонирование пленок происходило под некоторым углом к направлению полета.
Пленки находились в стопках из двух односторонне алюминированных полиимидных пленок марки ПМ-1УЭ-ОА размером 110 х 50 мм с металлизированной поверхностью на внутренней поверхности пленки. Толщина металлического покрытия составляет 3 мкм. Алюминиевое покрытие наносится термическим напылением, при этом не происходит проникновения металла в глубь полимера. Пленки подвергались воздействию факторов космического пространства (ФКП) со стороны полимера. Внешние наружные пленки (открытые) подвергались воздействию всей совокупности ФКП. Внутренние пленки были закрыты (защищены) внешними пленками от воздействия некоторых ФКП.
Массу пленок определяли взвешиванием на лабораторных весах типа ВЛР-200 с точностью ±0.05 мг. 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 составляла ±1 мкм.
Для изучения поверхностных свойств полимерных пленок измеряли краевые углы смачивания гониометрическим методом. Измерения проводили с помощью катетометра КМ-6. В качестве рабочих использовались полярная жидкость - вода (бидистиллят) и неполярная - глицерин. Измерения краевого угла смачивания проводили во взаимно перпендикулярных направлениях. Точность измерения составляла ±(2-3.5)°. По измеренным значениям краевых углов смачивания рассчитывали работу адгезии (Ж,), полную поверхностную энергию (у) и ее полярный компонент (ур).
Измерения спектров в видимой и УФ-области в 200-800 нм проводили на автоматическом спектрофотометре модели "СФ-56" (фирма "ЛОМО")
с компьютерной системой регистрации и обработки спектров. Для регистрации спектров с образцов пленок удаляли алюминиевое покрытие.
Круговые диаграммы коэффициента яркости в поверхностей пленок измеряли в направлении нормали к образцу при освещении под углом 45° к его поверхности с помощью объективного универсального фотометра с избирательным поглотителем. Погрешность фотометра при измерении коэффициента яркости при угле падения света 45° и угле наблюдения 0° составляла не более ±1%. Круговая диаграмма в измерялась для наружной и внутренней поверхности каждого пленочного образца отдельно с привязкой к его ориентации на сборке.
Структуру поверхности пленок исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа TES LA BS-340 (ускоряющее напряжение 30 кВ, усиление 2000-10000). Перед съемкой поверхности образцов пленок покрывали тонким слоем меди. Для изучения поверхности образцов использовали атомно-силовой микроскоп "Соль-вер П-47" (НТ-МДТ) в резонансном режиме (частота 150-350 кГц). Измерения проводили на воздухе при комнатной температуре.
РЕЗУЛВТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исходные односторонне алюминированные полиимидные пленки ПМ-1УЭ-ОА имеют желтоватый цвет. После экспонирования в течение 28 месяцев открытые внешние пленки стали мутными, шероховатыми, сильно рассеивающими свет. Особенно значительные изменения претерпевают пленки после экспонирования 42 месяца (рис. 1). Видно, что на пленке часть полимерного слоя полностью разрушена. Оставшаяся часть пленки практически полностью потеряла механическую прочность. Внутренние пленки, находившиеся под защитой внешних пленок, визуально сохранились без изменений. Полиимидные пленки марок ПМ-1Э и Кар1оп 100 ИК после экспонирования в течение 42 месяцев сохраняют достаточную механическую прочность [7-10]. Таким образом, внешние односторонне алюминирован-ные полиимидные пленки ПМ-1УЭ-ОА претерпевают более значительные механические повреждения, чем полиимидные пленки ПМ-1Э и Кар1оп 100 ИК, т.е. металлизация снижает космическую стойкость полиимида.
За первые 28 месяцев потеря массы внешними пленками ПМ-1УЭ-ОА составляет ~36% (таблица). За тоже время у пленок ПМ-1Э и Кар1оп 100 ИК потеря массы составляет ~22 и 17 соответственно. Состояние пленки после экспонирования в течение 42 месяцев не позволило провести точные измерения потери массы и их поверхностных свойств.
Ориентировочно после 42 месяцев масса пленок ПМ-1УЭ-ОА уменьшилась на ~80%.
Как и у пленок ПМ-1Э и Kapton 100 HN [11], потеря массы и другие изменения свойств пленок ПМ-1УЭ-ОА носят нелинейный характер от времени экспонирования. Нелинейная зависимость изменения основных характеристик полимерных пленок от времени экспонирования может быть обусловлена двумя причинами. Во-первых, в процессе экспонирования происходят непрерывные изменения поверхностных свойств пленок, которые придают поверхности увеличивающуюся во времени чувствительность к воздействию ФКП. В результате этого скорость деградации пленок со временем непрерывно возрастает. Во-вторых, во время натурного эксперимента на космической станции "Мир" после первых 28 месяцев экспонирования произошло увеличение активности Солнца, что привело к увеличению концентрации атомарного кислорода в атмосфере космического корабля и соответственно интегрального потока (флюенса) атомарного кислорода в последующие 14 месяцев [10].
Оценку эффективности реакции атомарного кислорода с алюминированными полиимидными пленками RE на орбитальной космической станции "Мир" проводили по формуле:
Re = Am/J0,
где Am - потеря массы, г/см2; J0 - флюенс атомов кислорода, част/см2; RE - потеря массы на 1 атом кислорода (г/част) или эффективность атомарного кислорода с полиимидом [1]. При потоке атомов кислорода Ф = 3-5 х 1015 см-2 с-1, флюенсе J0 = 3-5 х х 1024 см-2 усредненные константы эффективности реакций атомарного кислорода с пленками ПМ-1Э, Kapton 100 HN и ПМ-1УЭ-ОА примерно одинаковы и составляют ~5 х 10-25 г/атом кислорода. Таким образом, результаты исследований полиимидных пленок показали, что эффективно
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.