автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Методы дистанционного контроля и изменение диэлектрических свойств эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе при длительном воздействии факторов космического пространства

Введение.

Глава 1 Факторы космического пространства и их воздействие на полимерные материалы (Литературный обзор).

1.1 Основные факторы околоземного космического пространства (ФКП) "и особенности их воздействия на органические полимеры.

1.1.1 Вакуумные условия и собственная внешняя атмосфера.

1.1.2 Плазменная обстановка, атомарный кислород.

1.1.3 Космические корпускулярные и электромагнитные излучения.

1.1.4 Термоциклирование.

1.1.5 Метеорная материя и техногенные осколки.

1.1.6 Особенности комплексного воздействия ФКП на материалы КА.

1.2 Использование полимерных и полимерных композиционных материалов в космических конструкциях.

1.3 Натурные и имитационные эксперименты по исследованию влияния ФКП на структуру и свойства полимерных материалов.

1.4 Постановка задачи.

Глава 2 Разработка диэлектрических методов и аппаратурных средств дистанционного контроля за физико-химическими превращениями в полимерных материалах и их компонентах под воздействием внешних факторов.

2.1 Параметры и методы определения диэлектрических свойств, их использование для исследования полимерных систем.

2.1.1 Диэлектрические свойства полимерных систем.

2.1.2 Стандартные методы определения диэлектрических свойств: приборы и ячейки.

2.1.3 Диэлектрические ячейки и микродатчики для исследований технологических и эксплуатационных свойств полимерных материалов и контроля параметров окружающей среды.

2.1.4 Использование диэлектрических методов для исследования полимерных систем и параметров внешней среды.

2.2 Разработка ячеек, микродатчиков и аппаратуры для дистанционного контроля за диэлектрическими свойствами полимерных материалов в условиях воздействия внешних факторов.

2.2.1 Перфорированная диэлектрическая ячейка и аппаратура «ЭРЭ».

2.2.2 Микродиэлектрические датчики.

Глава 3 Исследование изменений диэлектрических свойств эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе при воздействии ФКП.

3.1 Изменения диэлектрических свойств эпоксиаминного густосетчатого полимера в условиях, имитирующих воздействие факторов космического пространства.

3.1.1 Объекты и методы исследований.

3.1.2 Результаты исследований.

3.1.3 Обобщение полученных результатов.

3.2 Исследования влияния длительной экспозиции в наземных и космических условиях на диэлектрические свойства эпоксидных полимеров и полимерных композиционных материалов с использованием перфорированных диэлектрических ячеек в составе аппаратуры «ЭРЭ».

3.2.1 Объекты и образцы для исследований.

3.2.2 Наземные исследования диэлектрических свойств эпоксидных связующих и композиционных материалов на их основе на образцах-аналогах космического эксперимента.

3.2.3 Методика проведения натурного эксперимента на ОК «МИР».

3.2.4 Результаты и их обсуждение.

3.2.5 Обобщение полученных результатов.

Выводы.

При создании и эксплуатации космических орбитальных комплексов (ОК) важнейшей проблемой является обеспечение надежности и долговечности их работы. Полимерные материалы (ПМ), в том числе полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе эпоксидных смол, нашли широкое применение в силовых, защитных и изолирующих элементах внешних конструкций ОК. Эти материалы длительное время подвергаются воздействию широкого спектра поражающих факторов космического пространства (ФКП). Обеспечение безопасной эксплуатации ОК требует детальных знаний о поведении таких материалов при длительном воздействии ФКП, что делает актуальной задачу выбора методологии, разработки аппаратурных средств и изучения воздействия поражающих факторов на их рабочие характеристики.

Моделирование и имитация реальных условий космического пространства или его отдельных факторов в наземных лабораториях представляют чрезвычайно сложную научно-техническую проблему. Кроме того, широкий спектр факторов, действующих на материалы наружных поверхностей, вызывает различные синергические эффекты, усиливающие их повреждаемость. Поэтому, для комплексной оценки степени деградации материалов под воздействием факторов космического пространства и прогнозирования надежности и долговечности элементов конструкций из них, требуется проведение длительных натурных испытаний, цель которых заключается в получении наиболее полной информации о поведении материалов в натурных условиях эксплуатации. Организация и проведение таких испытаний требует создания и наземной отработки необходимой аппаратуры и методик.

Важной проблемой при исследовании влияния ФКП на структуру и свойства материалов является выбор контролируемых параметров. Эти параметры должны характеризовать эксплуатационные свойства материалов, чувствительные "к изменению их состава и структуры, и легко определяться относительно простыми, в том числе дистанционными, методами. К таким параметрам относятся Диэлектрические свойства ПМ — диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и проводимость.

Цель данной работы состоит в разработке методов и аппаратурных средств дистанционного контроля диэлектрических свойств полимерных материалов непосредственно в условиях орбитального полета и исследование комплексного влияния факторов космического пространства на структуру и свойства эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе.

В- соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Обоснование и выбор метода контроля диэлектрических свойств материалов как наиболее чувствительных к изменению их состава и структуры.

2. Исследование возможностей выбранного метода для оценки физико-химических превращений в полимерных материалах под воздействием внешних факторов.

3. Разработка и опробование датчиков и аппаратуры для контроля за диэлектрическими свойствами в процессе проведения эксперимента.

4. Наземная отработка аппаратуры и методик для подтверждения их работоспособности в условиях космического пространства.

5. Организация и проведение наземных и натурных экспериментов, анализ полученных экспериментальных данных с целью установления закономерностей изменения диэлектрических свойств ПКМ и их компонентов.

Тема и задачи диссертационной работы входили составной частью в межведомственную комплексную целевую программу «Материаловедческое и технологическое обеспечение создания и эксплуатации крупногабаритных космических конструкций» 1985-1995г.г. и в Программу «Научные исследования, эксперименты и целевые работы на орбитальной станции «Мир» 1993-1999г.г.», а также входит в долгосрочную программу «Научные и прикладные исследования и эксперименты на Российском сегменте Международной космической станции».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ ФКП и их воздействия на ПМ, используемые в космических конструкциях, с целью изучения принципиальной возможности проведения ресурсных испытаний в условиях полета.

2. Выбор диэлектрического метода как наиболее чувствительного к изменению состава и структуры полимеров и ПКМ на их основе при воздействии

ФКП и исследование его возможности для оценки физико-химических превращений в полимерных и полимерных композиционных материалах.

3. Разработка, отработка и применение диэлектрической ячейки и микродиэлектрических датчиков для дистанционного контроля за изменениями диэлектрических свойств ПМ и ПКМ непосредственно в условиях имитационных наземных испытаний, анализ влияния имитирующих ФКП на диэлектрические свойства эпоксидных полимеров и ПКМ на их основе.

4. Разработка и наземная отработка аппаратуры ЭРЭ, организация и проведение, обработка и анализ результатов длительного космического эксперимента по исследованию влияния комплексного воздействия ФКП на диэлектрические свойства эпоксидных полимеров и ПКМ на их основе.

5. Практическое использование результатов работы при организации и проведении длительных активных материаловедческих экспериментов в условиях открытого космоса.

Научная новизна полученных материалов:

Впервые с использованием разработанной перфорированной ячейки и аппаратуры ЭРЭ для дистанционного контроля диэлектрических свойств изучено влияние индивидуального и комплексного воздействия факторов космического пространства на параметры диэлектрических свойств эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе в имитационной установке и при длительной (более 10 лет) экспозиции в условиях открытого космоса.

Имитационными исследованиями установлены превалирующие механизмы обратимых и необратимых воздействий глубокого вакуума (удаление полярных низкомолекулярных компонентов, в первую очередь, воды), термоциклирования (релаксационные переходы, удаление низкомолекулярных компонентов, доотверждение, образование микродефектов), УФ-излучения и потоков электронов (нагревание, радиационно-химические превращения, накопление зарядов). Комбинированное воздействие Уф-излучения и потока электронов в высоком вакууме проявляется с синергическим эффектом.

При длительном космическом эксперименте на орбитальном комплексе «Мир» установлено плавное снижение изотермических диэлектрических параметров ячеек в течение всего срока натурной экспозиции, а также сдвиг вдоль температурной шкалы областей характерных перегибов и пиков на температурных зависимостях емкости и тангенса угла потерь вследствие увеличения густоты полимерной сетки, уменьшения концентрации полярных групп и примесей и появления микродефектов под действием усадочных напряжений.

Предложена методика калибровки разработанного встраиваемого в исследуемый материал микродиэлектрического датчика с защитным покрытием, основанная на измерении его емкости в трех средах и показана эффективность его использования для дистанционного контроля структурных превращений полимерных материалов на различных стадиях их производства и эксплуатации.

Практическая значимость работы:

Отработаны и применены в натурных и наземных имитационных условиях экспериментальная методики и аппаратура для дистанционного контроля за изменениями диэлектрических свойств полимерных материалов при длительной экспозиции в заданных условиях. На основе разработанных методик и аппаратуры проведены кратковременные имитационные и длительные натурные эксперименты по изучению изменения диэлектрических свойств эпоксидных полимеров и ПКМ на их основе при воздействии факторов космического пространства. Разработаны компьютерные программы и прозедена первичная обработка большого объема информации, полученной с борта космического комплекса «Мир» в течение 10 лет экспозиции образцов

Полученные результаты позволили разработать технические требования к штатному бортовому оборудованию для проведения активных экспериментов по изучению влияния факторов космического пространства на структуру и свойства материалов различного функционального назначения.

Результаты летного и наземного экспериментов использованы для оценки и прогнозирования изменения эксплуатационных свойств полимерных материалов условиях открытого космического пространства.

Материалы диссертации были доложены на девяти конференциях, симпозиумах и семинарах, в том числе на 7-м Международных симпозиумах по материалам в космосе ШМЗЕ (Тулуза, Франция, 1997), 2-м Международном аэрокосмическом конгрессе (Москва, Россия, 1997), 6-м Международном симпозиуме SАМРЕ (Токио, Япония, 1999).

Основное содержание диссертации опубликовано в 13 работах.

Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов, общего списка литературы, который включает 150 наименований и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ об использовании результатов диссертационной работы Чурило И.В. на тему «Методы дистанционного контроля и изменение диэлектрических свойств эпоксидных полимеров и композиционных материалов на их основе при длительном воздействии факторов космического пространства».

Результаты диссертационной работы Чурило И.В. внедрены на РКК «Энергия» в следующем виде:

1. Разработанный метод дистанционного • контроля диэлектрических свойств полимерных материалов, реализованный в аппаратуре «ЭРЭ», прошел отработку в ходе подготовки и проведения длительного (более 10 лет) космического эксперимента на борту орбитального комплекса «МИР».

2. По результатам отрабэтг-' методики и аппаратуры разработаны технические требования к бортовому оборудованию для проведения длительных экспериментов на Российском сегменте Международной космической станции (PC МКС) ^КСМ.ПОЮ.ОООО-О) .

3. Результаты летного и наземного имитационного экспериментов использованы для оценки и прогнозирования изменений эксплуатационных свойств полимерных материалов при длительной эксплуатации в условиях открытого космического пространства. На их основе уточнен перечень применяемых материалов РС МКС (Объединенный документ НАС А / РКА 88Р 50094 п.п.4.3.4.2. Неметаллические материалы, П 17375-082 Исходные данные для выбора неметаллических материалов. Ограничитель).

4. Разработанные в рамках проведенных исследований микродиэлектрические датчики внесены в проектную ?! конструкторскую документацию как базовые измерительные элементы аппаратуры ДИСП (диэлектрический спектрометр), входящей в состав комплексных космических экспериментов «Флагман» и «Контроль» на РС МКС (356ГК.ОООО-ОШ, ТЗ.0167.006, ТЗ.0051.45).