Введение
В Российской Федерации и за рубежом при создании материалов авиационно-космического назначения основное внимание направлено на исследование систем, состоящих в основном из полиимидов, полиэтиленов с различным наполнением порошков тяжелых металлов и их оксидов. Подобные материалы имеют как ряд положительных защитных свойств, так и ряд недостатков. Основным недостатком является появление тормозного рентгеновского излучения, вызванного воздействием на атомы тяжелых металлов высокоэнергетических протонов и электронов радиационных поясов Земли [1]. Чистые же полимеры – полиимид, акрил, фторопласт и др. имеют относительно невысокие показатели стойкости к атомарному кислороду и вакуумному ультрафиолетовому излучению (ВУФ), что в реальном космическом пространстве приведет к разрушению терморегуляции космического аппарата [5].
В связи с этим необходим новый подход при разработке покрытий космических аппаратов, позволяющий ослабить влияние ионизирующего излучения на оптические характеристики материала при высоком уровне защиты от негативных факторов околоземного космического пространства.
Нами разработаны облегченные полимерные композиты на основе нанонаполненной радиационно-стойкой полистирольной матрицы. Использование легких элементов не только уменьшит тормозное рентгеновское излучение, но и значительно усилит стойкость к атомарному кислороду. Однако, известно, что под действием ВУФ происходит негативное изменение поверхности полимерных материалов, причем органические материалы подвержены таким изменениям в большей степени, чем неорганические [4].
Данная работа посвящена изучению влияния ВУФ на полимерные композиты в условиях, приближенных к околоземному пространству.
Цель исследования
Исследовать влияние ВУФ на морфологию поверхности нанонаполненных полимерных композиционных материалов в условиях, приближённых к условиям околоземного космического пространства.
Материал и методы исследования
Для создания полимерных композитов в качестве матрицы был использован ударопрочный полистирол (УПС) марки УПС-0803Э. Исследовали композиты УПС с высокой концентрацией высокодисперсного органо-силоксанового наполнителя синтезированного по методике, описанной в [2].
Элементный состав композита с 60 % содержанием наполнителя представлен в табл. 1. Ранее было исследовано и установлено, что данный состав является оптимальным для использования его в космических условиях [3].
Таблица 1 – Элементный состав ПК
|
Содержание наполнителя, % масс. |
Содержание в композите, % масс. |
|||
|
Si |
O |
H |
C |
|
|
60 |
24 |
17,633 |
6,750 |
51,617 |
Облучение ВУФ проводилось в специализированной установке для технологических и специальных испытаний образцов из полимеркомпозитов в условиях приближенных к околоземному космическому пространству:
– вакуум (давление не более 10-3 Па)
– температура -190 ºС до +160 ºС,
– ионизирующее излучение (ВУФ с длиной волны λ = 115 нм, облученность 0,5 Вт/м2). Время облучения составило 3 часа.
Перед испытанием образцы подвергали кондиционированию – вакуумному обезгаживанию при температуре 80 ºС в течение 1 часа.
ИК-спектры поверхности композитов до и после облучения получены на ИК-спектрофотометре Perkin-Elmer Spectrum One (г. Москва).
Поверхность образцов до и после облучения исследовали с помощью сканирующего зондового микроскопа Ntegra Aura компании NT-MDT. Сканирование поверхности проводили полуконтактным методом в режиме топографии. Результаты сканирования обрабатывали программным модулем обработки изображений Image Analysis 2.1.2, встроенным в программный пакет Nova RC1 (1.0.26.850). Вычисляли основные статистические параметры.
Результаты исследования и их обсуждение
ИК-спектры композитов получены в диапазоне волновых чисел от 450 до 4000 см-1.
На рис. 1а показан ИК-спектр исходного композита, на рис. 1 б - после облучения ВУФ. Анализ ИК-спектров показывает, что облучение ВУФ не приводит к изменению структуры композитов, так как не наблюдается существенного изменения колебаний волновых чисел. Относительно широкая полоса поглощения в диапазоне 400 – 480 см-1 соответствует асимметричным деформационным колебаниям связи Si–O. Полоса поглощения в точке 690 см-1, характерная только для кристаллических форм SiO2, отсутствует. Острые, как у кристаллических веществ, полосы поглощения в точках 780 и 1040 см-1, указывают, соответственно, на симметричные и асимметричные валентные колебания связи Si–O.
а)
б)
Рис. 1. ИК-спектры композитов а - исходного; б - после облучения ВУФ
Предположительно полоса 1040 см-1 соответствует преимущественно цепочечной структуре кремнекислородного каркаса, в которой 2–3 из 4 валентных связей каждого атома кремния являются силоксановыми (Si–O–Si). Слабые полосы поглощения в точках 1630, 2350 указывают, соответственно, деформационным и валентным колебаниям молекулярной воды. Слабая полоса 2850 и интенсивная полоса 3300 – 3600 см-1 соответствуют валентным колебаниям связи O–H в группах Si–OH.
На рис. 2 представлены АСМ-изображения поверхности композита до и после воздействия ВУФ-излучения.
Для исследования эволюции рельефа поверхности образцов от воздействия ВУФ-излучения были изучены их трехмерные модели. На рис. 2 (а, в) приведены трёхмерные изображения поверхности, полученные в режиме топографии для участка исходного композита, а также для участков композитов, подвергавшихся ультрафиолетовому облучению в течение 3 часов при температуре 100 ºС, которые указывают на протекание процессов травления поверхностного слоя. На поверхности исходных композитов установлено образование более рельефных структур с развитой поверхностью (рис. 2, а) в сравнении с более гладкими структурными образованиями, наблюдаемыми у композита после обработки ВУФ (рис. 2, в). Двумерные модели также показывают уменьшение шероховатости поверхности после воздействия ВУФ. Анализ параметров шероховатости поверхности проводился на площади 10 × 10 мкм. Шероховатость, вычисленная расчетным путем, до облучения составляет Sa=20,5 нм, а после Sa=11,5 нм. Разница между максимальным значением выступа и минимальным составляет до облучения 360 нм, а после 150 нм, что экспериментальным путем доказывает сглаживание поверхности полимерного композита вакуумным ультрафиолетом.
а) 
б) 
в) 
г) 
Рис. 2. АСМ-изображение поверхности композита, полученное в режиме топографии: а, б - исходного; в, г - после облучения ВУФ; а, в –трехмерная модель; б, г-двумерная модель
Заключение
Анализ ИК-спектров показывает, что облучение ВУФ не приводит к изменению структуры композитов, так как не наблюдается существенного изменения колебаний волновых чисел.
Проведенные исследования показали, что воздействие ВУФ-излучения на полимерные композиты приводит к изменению их морфологии, так как при травлении полимеров в вакууме происходит разрушение поверхностного слоя и удаление образующихся при этом газообразных продуктов. Изменению подвергается поверхностный слой композита, который, как правило, является более дефектным, чем его основная масса.
Исследования эволюции рельефа поверхности образцов показали сглаживание поверхностного слоя при воздействии ВУФ-излучения. Проведенные зондовые исследования наглядно демонстрируют изменение шероховатости до и после воздействия ВУФ на композиты (рис. 2). Использование феноменологических характеристик, позволило численно доказать эффект сглаживания поверхности – Sa до облучения 20,5 нм, а после Sa=11,5 нм. Разница между максимальным значением выступа и минимальным составляет до облучения 360 нм, а после 150 нм.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.B37.21.0415
Рецензенты:
Савотченко Сергей Евгеньевич, д.ф-м.н., профессор, заведующий Кафедрой информационных технологий «Белгородского института повышения квалификации и профессиональной переподготовки специалистов», г. Белгород.
Красильников Владимир Владимирович, д.ф-м.н., профессор кафедры материаловедения и нанотехнологий НИУ «Белгородского государственного университета», г. Белгород.