Спосіб обробки діелектричних полімерних композиційних матеріалів
Номер патенту: 95142
Опубліковано: 11.07.2011
Автори: Лотоцька Вікторія Олександрівна, Тихий Віктор Григорович, Гусарова Ірина Олександрівна, Кревсун Олександр Вікторович, Зарицький Іван Петрович, Сальтевський Григорій Іванович, Кіслов Олександр Матвійович, Похил Юрій Онисимович, Абраімов Вячеслав Володимирович, Потапов Олександр Михайлович
Формула / Реферат
Спосіб обробки діелектричних полімерних композиційних матеріалів шляхом кріогенного термоциклування, який відрізняється тим, що кріогенне термоциклування виконують в вакуумі з тиском залишкових газів 10-2-10-3 Па і параметрами термоциклу у межах:
- амплітуда +100...-100 °С,
- тривалість 30-90 хвилин,
- кількість циклів 10-20.
Текст
Спосіб обробки діелектричних полімерних композиційних матеріалів шляхом кріогенного термоциклування, який відрізняється тим, що кріогенне термоциклування виконують в вакуумі з -2 -3 тиском залишкових газів 10 -10 Па і параметрами термоциклу у межах: - амплітуда +100...-100 °С, - тривалість 30-90 хвилин, - кількість циклів 10-20. Винахід стосується способів зміни електрофізичних властивостей діелектричних полімерних композиційних матеріалів шляхом кріогенного термоциклування у вакуумі і може бути використаний у ракетно-космічній техніці, космічному апарато- та приладобудуванні, а також у електротехнічній та електронній промисловості. Відомий спосіб обробки технічного титану і сплавів на його основі за нормальних умов полягає в попередньому низькотемпературному (в інтервалі температур -196…-88 °C) пластичному деформуванні до великих ступеней деформації [Пат. України 70025 А, кл. C22F 1/00 від. 2004 року]. Вищевказаний спосіб дозволяє поліпшити фізико-механічні характеристики виробів з титану (технологічну пластичність і міцність), але він не придатний для обробки діелектричних полімерних композиційних матеріалів, які не мають достатнього (порівняно з металевими сплавами) фізичного резерву пластичності. Як і в запропонованому винаході, у відомому способі матеріал піддають кріогенному термоциклуванню. Причиною, що перешкоджає отриманню технічного результату, є наявність у відомому способі операції - низькотемпературне пластичне деформування з високим ступенем деформації, яке призводить до повного макроскопічного руйнування полімерного композиційного матеріалу внаслідок незворотних порушень його внутрішньої мікроструктури. Це унеможливлює подальше використання такого матеріалу. Крім того, застосований у відомому способі режим кріогенної термомеханічної обробки, окрім механічних пошкоджень, супроводжується ефектом термоудару, тобто внесенням значних додаткових структурних пошкоджень у матеріалі завдяки значним термічним напругам, що виникають при термоударі. UA (11) 95142 (13) (21) a200911749 (22) 17.11.2009 (24) 11.07.2011 (46) 11.07.2011, Бюл.№ 13, 2011 р. (72) ПОХИЛ ЮРІЙ ОНИСИМОВИЧ, АБРАІМОВ ВЯЧЕСЛАВ ВОЛОДИМИРОВИЧ, САЛЬТЕВСЬКИЙ ГРИГОРІЙ ІВАНОВИЧ, ЗАРИЦЬКИЙ ІВАН ПЕТРОВИЧ, ЛОТОЦЬКА ВІКТОРІЯ ОЛЕКСАНДРІВНА, КІСЛОВ ОЛЕКСАНДР МАТВІЙОВИЧ, КРЕВСУН ОЛЕКСАНДР ВІКТОРОВИЧ, ТИХИЙ ВІКТОР ГРИГОРОВИЧ, ГУСАРОВА ІРИНА ОЛЕКСАНДРІВНА, ПОТАПОВ ОЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ (73) ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР ІМ. Б.І. ВЄРКІНА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) Новик И.Г., Сечко А.Э. и др. Влияние режимов термообработки на структуру и механические свойства полиамидных композитов // Фізикохімічна механіка матеріалів. – 2008. – №6, С. 93-97 C2 2 (19) 1 3 Відомий спосіб впливу на фізико-механічні і структурні характеристики поліамідних композиційних матеріалів, який полягає в застосуванні циклічно повторюваних короткочасних кріогенних дій (охолодження до -196 °C) з подальшими тепловими обробками (нагрівання до +100 °C) [И. Г. Новик, А. Э. Сечко и др. Влияние режимов термообработки на структуру и механические свойства полиамидных композитов //Фізико-хімічна механіка матеріалів.-2008, № 6, С. 93-97]. В відомому способі вказана термоциклічна обробка призводить до протилежних за знаком впливів на фізикомеханічні і структурні характеристики композиту в залежності від типу наповнювача від підвищення міцності на 7-10 % для наповнювача у вигляді скляних волокон до зменшення міцності на 20-30 % для нанонаповненого композита. Такий вплив пов'язаний, з одного боку, з протіканням внаслідок кріогенної термообробки холодної перекристалізації і появою знеміцнюючої -кристалічної фази поліаміду, а з іншого боку, з підвищенням адгезійної взаємодії волокно-матриця. Як і в запропонованому винаході, у відомому способі має місце кріогенне термоциклування діелектричних полімерних композиційних матеріалів. Але в даному випадку присутні такі негативні ефекти, як наслідки термоудару, і відсутні фактори (вакуумне середовище), які сприяють видаленню легких сполук і вологи, що в сукупності не призводить до поліпшення електрофізичних властивостей матеріалу - питомого об'ємного і поверхневого електричного опору. Вказані обставини і є причиною, що перешкоджає отриманню технічного результату при використанні відомого способу. Прототипом вибраний спосіб зміни теплофізичних властивостей неметалевих композиційних матеріалів на базі епоксидної основи, що наповнені фосфорвуглецевими волокнами, шляхом багаторазових циклічних теплових навантажень (нагрів - охолодження) [Л. Е. Евсеева, С. А. Танаева и др… Влияние термоциклирования //Инженернофизический журнал, 2003, 76, № 1, С. 188-190]. Вибір прототипу виправданий тим, що електрофізичні процеси (електропровідність) і теплофізичні процеси (теплопровідність) належать до одного класу споріднених фізичних процесів - явищ переносу. Згідно із способом - прототипом обробку композиційних матеріалів проводять шляхом занурення зразків у ванну з рідким азотом (охолодженні до -196 °C) і подальшим переміщенням до сушильного шафу (нагрівання до +25…130 °C), тобто має місце термоудар. Встановлено, що значення теплопровідності матеріалу поводить себе немонотонно: після перших 5 термоциклів теплопровідність зменшується приблизно на 30 %, після 30-40 термоциклів вона зростає майже до первинного значення, а далі кожний термоцикл призводить до її зменшення. Автори пов'язують таку поведінку матеріалу із розтріскуванням композиту під час перших термоударів (зниження теплопровідності), потім з релаксацією пошкоджень за рахунок процесу стеклування композиту під час його нагріву (зростання теплопровідності), але з подальшим термоциклуванням превалюють процеси тріщино 95142 4 утворення внаслідок термоударів, і теплопровідність знову падає. Причиною, що перешкоджає отриманню технічного результату у способі - прототипі є руйнівний вплив жорсткого термоградієнтного навантаження (термоудару) в сукупності з присутністю повітряної атмосфери, що вміщує кисень і вологу. Обидва фактори при сумісній дії мають суттєво негативний вплив на електрофізичні властивості (електрична міцність, питомий опір) полімерного композиту. Необхідність в підвищенні електричної міцності і питомих електрорезистивних характеристик полімерних композиційних матеріалів пов'язана із їх широким застосуванням у конструкціях сучасних космічних апаратів і бортової електронної апаратури. Однією з найважливіших умов нормальної роботи космічного апарата є забезпечення його електрорадіаційної безпеки на навколоземних орбітах. В цих умовах на апарат діють потоки електронів і протонів радіаційних поясів Землі, електронно-іонні компоненти магнітосферної і іоносферної плазми з енергією часток 0,1-100 МеВ, а також електромагнітне випромінювання Сонця. Під дією цих факторів відбувається неоднорідне накопичення на поверхні космічного апарата надлишкових електричних зарядів і виникнення значної (до десятків кВ) різниці потенціалів між окремими елементами апарата. З цієї причини виникають поверхневі і об'ємні електричні пробої в елементах конструкції космічного апарата, що виготовлені з полімерних композиційних матеріалів. А це, в свою чергу, викликає збої в роботі життєво важливих систем - сонячних батарей, оптичних пристроїв, антен і т. ін. Ефективним засобом боротьби з радіаційно-стимульованими електричними пробоями є використання діелектричних матеріалів з високими електрорезистивними і діелектричними властивостями і електричною міцністю. Задачею, на вирішення якої спрямована запропонований винахід, є створення способу поліпшення електрофізичних властивостей діелектричних полімерних композиційних матеріалів, що використовуються для виготовлення космічних апаратів і бортової електронної апаратури. Технічний результат, який може бути досягнутий при використанні запропонованого винаходу, полягає в істотних змінах структурного стану матеріалу під впливом циклічних "м'яких" кріогенновакуумних термоградієнтних навантажень, а саме - зміни ступені полімеризації композиту, зміни в співвідношенні кристалічної і аморфної фаз, а також суттєвого зменшення кількості легколетких сполук і вологи. Саме такі зміни структурного стану забезпечують істотне збільшення електрофізичних властивостей полімерних композиційних матеріалів, таких як питомий об'ємний і поверхневий електричний опір. Все це створює умови для довготривалого безаварійного використання виробів з таких матеріалів в умовах впливу космічного простору. Суть винаходу полягає в тому, що у запропонованому способі обробки діелектричних полімерних композиційних матеріалів виконують кріогенне термоциклування в вакуумі з тиском залишкових 5 -2 -3 газів 10 -10 Па і параметрами термоциклу у межах: - амплітуда+100…-100 °C, - тривалість 30-90 хвилин, - кількість циклів 10-20. Запропонований винахід відрізняється тим, що кріогенне термоциклування виконують в вакуумі -2 -3 10 -10 Па і параметрами термоциклу у межах: - амплітуда +100…-100 °C, - тривалість 30-90 хвилин, - кількість циклів 10-20. Між суттєвими ознаками запропонованого винаходу і технічним результатом, який може бути досягнутий при його використанні, існує такий причинно-наслідковий зв'язок. Виконання термоциклування в "м'якому" температурно-часовому режимі, з одного боку, запобігає негативному впливу термоудару, що призводить до появи неприпустимих структурних пошкоджень, а, з іншого боку, забезпечує протікання неруйнівних структурних перетворень, таких як додаткова полімеризація матриці композита і фазові переходи типу кристалічний - аморфний стан. Крім того, застосування низького тиску оточуючого середовища, що не містить вуглецьводневих сполук, кисню та парів вологи (кріогенний вакуум), сприяє усуненню вологи та легколетких компонентів з структури композиту. Внаслідок дії комплексу перелічених факторів, вдається істотно (на 3-6 порядків) підвищити електричний опір матеріалу, тобто його електричну міцність, що має принципове значення з точки зору забезпечення електрорадіаційного захисту космічних апаратів. На відміну від прототипу в запропонованому винаході застосовується принцип дії "м'яких" термоградієнтних навантажень, тобто відносно невеликої амплітуди зміни температури (у межах 100 °C) і повільним циклом (тривалістю 30-90 хв.) охолоджування і відігрівання з ізотермічною витримкою в точках температурних екстремумів, що запобігає ніщивній дії термоудару, але забезпечує необхідні структурні зміни в матеріалі. Істотною відрізною особливістю запропонованої корисної моделі є використання при проведенні кріогенної термоциклічної обробки полімерних композиційних матеріалів вакууму, як оточуючого середовища, що сприяє протіканню процесів газовиділення і дегідратації (випаровування низькомолекулярних легколетких сполук і вологи, що присутні в складі композита), і призводить до зміни співвідношення кристалевої і аморфної структурних складових композита і, як наслідок, до зміни його електрофізичних характеристик. На кресленні наведений варіант виконання пристрою для реалізації запропонованого способу. Згідно з кресленням, пристрій містить посудину Дьюара 1, яка через клапан подачі рідкого азоту 2 з'єднана з системою подачі рідкого азоту і його випаровування 3. Потрібний режим термоциклування встановлюють за допомогою блока попереднього посилення 4 і блока керування 5, пов'язаного з персональним компьютером 6. В вакуумній 95142 6 камері 7 розміщують зразки (чи потрібні деталі) неметалевих композиційних матеріалів 8, обробка яких провадиться за допомогою обладнання для термоциклування 9. Вакуумна камера 7 оснащена системою вакуумного випомповування 10. Режим обробки зразків матеріалу встановлюють за допомогою обладнання для термоциклування, а саме: давача температури 11, теплообмінника 12 і кварцевої лампи 13. Керування режимами термоциклування здійснюють системою автоматичного керування термоциклуванням 14, що містить блок керування 5, персональний комп'ютер 6 і блок попереднього посилення 4. Поліпшення електрофізичних характеристик полімерних неметалевих композиційних матеріалів здійснюють шляхом багаторазової зміни температури зразків у вакуумі за певним температурночасовим режимом. При виконанні одного циклу з посудини Дьюара 1 через клапан подачі 2 і систему подачі рідкого азоту і його випаровування 3 азот надходить до вакуумної камери 7 для охолодження зразків 8. Азот циркулює в каналах теплообмінника 12 протягом заданого часу (напівцикл охолодження). Далі відбувається: - витримка при температурі мінімуму - відключення подачі азоту, нагрівання теплообмінника 12 кварцевими лампами 13 протягом заданого часу (напівцикл нагрівання), - витримка при температурі максимуму - відключення нагрівання. Період зміни температури визначається окремо для кожного матеріалу і становить від 30 до 90 хвилин Окремо для кожного матеріалу визначається також кількість циклів. За допомогою запропонованого способу можна виконувати обробку перспективних для застосування у сучасному космічному апаратобудуванні та приладобудуванні діелектричних полімерних композиційних матеріалів і виробів з них. Дослідженнями було встановлено, що при обробці згідно запропонованого способу електрофізичні характеристики (питомий об'ємний і поверхневий опір) діелектричних матеріалів можуть бути підвищені на 3-6 порядків. Приклад 1. Обробці згідно запропонованого способу були піддані зразки (10) шт. текстоліту ГОСТ 2210-74. -3 Внаслідок дії 10 термоциклів у вакуумі 510 Па з амплітудою температури +80 °C…-50 °C і тривалістю циклу 90 хв. питомий об'ємний елект7 13 ричний опір текстоліту зріс від 110 Омм до 210 Омм, тобто на 6 порядків. Приклад 2. Обробці згідно запропонованому способу були піддані зразки (10) шт. гетинаксу ГОСТ 2718-74. 3 Внаслідок дії 10 термоциклів у вакуумі 510Па з амплітудою температури +80 °C…-50 °C і тривалістю циклу 90 хв. питомий об'ємний елект9 ричний опір гетинаксу зріс від 210 Омм до 12 2,510 Омм, тобто на 3 порядки. 7 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 95142 8 Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюMethod for the treatment of dielectric polymeric composite materials
Автори англійськоюPokhyl Yurii Onysymovych, Abraimov Viacheslav Volodymyrovych, Saltevskyi Hryhorii Ivanovvych, Zarytskyi Ivan Petrovych, Lototska Viktoria Oleksandrivna, Kislov Oleksandr Matviiovych, Krevsun Oleksandr Viktorovych, Tykhyi Viktor Hryhorovych, Husarova Iryna Oleksandrivna, Potapov Oleksandr Mykhailovych
Назва патенту російськоюСпособ обработки диэлектрических полимерных композиционных материалов
Автори російськоюПохил Юрий Анисимович, Абраимов Вячеслав Владимирович, Сальтевский Григорий Иванович, Зарицкий Иван Петрович, Лотоцкая Виктория Александровна, Кислов Александр Матвеевич, Кревсун Александр Викторович, Тихий Виктор Григорьевич, Гусарова Ирина Александровна, Потапов Александр Михайлович
МПК / Мітки
МПК: C08J 3/00, H01B 3/30, H01B 3/47, H01G 4/14
Мітки: композиційних, діелектричних, матеріалів, полімерних, спосіб, обробки
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/4-95142-sposib-obrobki-dielektrichnikh-polimernikh-kompozicijjnikh-materialiv.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб обробки діелектричних полімерних композиційних матеріалів</a>
Попередній патент: Спосіб захисту шарошкового долота від спрацювання по діаметру
Наступний патент: Оптико-електронний сканувальний пристрій для дистанційного знімання
Випадковий патент: Притискний пристрій до вилкового навантажувача