Спосіб отримання захисного матеріалу від космічного випромінювання

Реферат: Винахід належить до області захисту радіоелектронної апаратури космічних апаратів від впливу космічного випромінювання і може бути використаний у конструкціях космічних та літальних апаратів для підвищення надійності і терміну безвідмовного функціонування космічних апаратів. Спосіб отримання захисного матеріалу від космічного випромінювання, що включає операцію змішування суміші зв'язуючого і заповнювача Як зв'язуюче використовують радіаційно-стійкі епоксидні смоли, а як заповнювач - гранули, що складаються з порошків вольфраму і карбіду вольфраму в полімерній радіаційно-стійкій матриці. Проводять формування зразків шляхом заливки у виливниці з подальшим вакуумуванням і полімеризацією при 80 °С протягом 24 год. Заповнювач одержують подрібненням і відсівом фракції 300…350 мкм композита, що складається з 90…92 % суміші нанодисперсних порошків вольфраму і карбіду вольфраму. Спосіб дозволяє реалізувати високі питомі радіаційно-захисні властивості шляхом отримання однорідної структури матеріалу за рахунок отримання гранул визначеного розміру та складу з високими радіаційнозахисними властивостями в радіаційно-стійкому зв'язуючому. UA 108673 C2 (12) UA 108673 C2 UA 108673 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області захисту радіоелектронної апаратури (PEA) космічних апаратів (КА) від впливу космічного випромінювання і може бути використаний у конструкціях космічних та літальних апаратів для підвищення надійності і терміну безвідмовного функціонування космічних апаратів. Підвищення терміну функціонування КА у космічному просторі і розвиток сучасної елементної бази PEA вимагають нових розробок захисних елементів, які б дозволили забезпечити надійну безвідмовну роботу. Слід зазначити, що при використанні екрануючих матеріалів для пасивного захисту виникає проблема неминучого підвищення маси КА. Тому основною характеристикою захисного матеріалу повинна бути екрануюча здатність, віднесена до питомої ваги. Основним матеріалом, що використається як захисний є алюміній і його сплави, які мають невелику масу і високу технологічність. Проте питомі захисні характеристики таких матеріалів вже не задовольняють зростаючим потребам ракетобудування. Наразі проводяться дослідження по розробці способів отримання сучасних композиційних матеріалів, які б могли задовольнити зростаючи потреби ракетобудівників. При виборі компонентів захисних матеріалів доцільно прийняти до розгляду елементи як з малим атомним номером (для ефективного ослаблення потоків протонів), так і елементи з високим атомним номером, що підвищують альбедо електронів. Їх відносний вміст у складі матеріалу визначається інтенсивністю і спектром протонів і електронів на заданій орбіті. Відомий спосіб приготування композиційного матеріалу для радіаційного захисту (патент РФ № 2193248) шляхом змішення меленого скла, рідкого скла і наповнювача з подальшим механоактивуванням суміші, в якому застосовують тонкомелене скло з дисперсністю 40-50 мкм, яке використовують як неорганічне зв'язуюче, як наповнювач використовують дрібнодисперсний залізовмісний гематитовий концентрат з розміром частинок 40-50 мкм, здійснюють зволоження матеріалу сумішшю води і рідкого скла з силікатним модулем 1,7-2,1, напівсухе пресування 2 матеріалу під питомим тиском 300-400 кг/см , термообробку при 800-850 °C протягом 50-60 хв. і відпал протягом 7-8 год. при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: тонкомелене скло - 20-25, гематитовий концентрат - 69,5-76,4, вода - 3-5, рідке скло - 0,5-0,6. Однак слід зазначити, що такий спосіб отримання матеріалу не забезпечує захист від високоенергетичних протонів і електронів і має більш питому вагу, ніж алюміній та його сплави що зараз використовуються. Найбільш близьким до заявленого винаходу є спосіб отримання радіаційно-захисного жаростійкого композиційного матеріалу (патент РФ № 2193246), що складається із змішення зв'язуючого і заповнювача, в якому як зв'язуюче використовують етилсилікат-40, а у вигляді заповнювача - сульфат барію, активований гидрооксидом заліза із співвідношенням Ba/Fe=2,54,0, модифікований гідролізованим етилсилікатом-40 при 20-25 °C протягом 15-30 хв. з подальшою сушкою при 550-600 °C і подрібненням до фракції 0,009-1,0 мм, потім виробляють 2 формування зразків при питомому тиску 450-500 кг/см і спіканні при 1100-1150 °C протягом 3540 хв. при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: заповнювач - 90,0-95,0, зв'язуюче етилсилікат-40 - 5,00-10,0, при цьому модифікація відбувається в процесі отримання гідролізованого етилсилікату-40, для чого змішують етілсилікат-40 з дистильованою водою при співвідношенні етілсиліката-40 до води рівному 1 і з сульфатом барію, активованим гідроксидом заліза з відношенням твердої і рідкої фаз рівним двом, і додають 20 %-ний розчин аміаку при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: сульфат барію, активований гідроксидом заліза - 62,0-65,0, суміш етілсиліката-40 і дистильованої води - 30,0-35,0, 20 %-ний розчин аміаку - 3,05,0. Проте недоліками такого способу є доволі складна технологія виготовлення, більша ніж у алюмінієвих сплавах питома вага і низька радіаційна стійкість відносно до електронів з енергіями 0,4…5 МеВ. Задачею винаходу є розробка способу отримання захисного матеріалу від космічного випромінювання, що забезпечує ефективний захист радіоелектронної апаратури космічних апаратів в умовах експлуатації у навколоземному просторі. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб отримання захисного матеріалу від космічного випромінювання складається із змішення зв'язуючого і заповнювача, при цьому як зв'язуюче використовують радіаційно-стійкі епоксидні смоли, а як заповнювач - гранули, що складаються з порошків вольфраму і карбіду вольфраму в полімерній радіаційно-стійкій матриці, потім проводять формування виробів шляхом заливки у виливницю з подальшим вакуумуванням і полімеризацією при 80° С протягом 24 год. З метою створення однорідної структурованої композиції гранули виготовляють подрібненням радіаційно-стійкого композиту, який містить 90…92 % суміші нанодисперсних порошків вольфраму і карбіду вольфраму. З подрібненого композиту відсівають гранули розміром від 300 до 350 мкм. В залежності від 1 UA 108673 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 складу і енергій випромінювання характерних для конкретних орбіт такий спосіб додатково дає можливість керувати співвідношенням зв'язуючого і заповнювача використовуючи різні фракції гранул з метою забезпечення мінімальних масових показників без втрати радіаційно-захисних показників матеріалу. Наприклад, для різних геостаціонарних орбіт можливо отримувати вміст наночасток вольфраму та карбіду вольфраму, які будуть рівномірно розподілені в радіаційно-захисній матриці від 35 до 90 % змінюючи фракційний склад гранул від 500…1000 мкм до 100…150 мкм. По розробленому способу були виготовлені зразки захисних матеріалів від космічного випромінювання і проведені імітаційні дослідження захисних властивостей на електростатичному прискорювачі електронів "ЕЛІАС", виробництва High Voltage Engineering Corporation, модель KS/3000. Визначення радіаційно-захисних властивостей композиційних матеріалів при імітаційному опромінюванні зразків потоком протонів проводили на прискорювачі "ЕСУ-2" ННЦ ХФТІ в ядерній реакції D(3He, p) 4He. Результатом протікання ядерної реакції є народження двох частинок: протона і 4Не. При енергії іонів 3Не=0,7 МеВ енергія протонів складає 13 МеВ. Проведені випробування показали, що розроблений спосіб забезпечує зменшення кількості електронів, що пройшли захист, в порівнянні з АМг6 і прототипом від 1,5 до 4,41 рази. Крім того, енергія електронів падає від 1,2 до 2 разів, що дуже важливо, оскільки електрони з низькими енергіями значно менше впливають на працездатність PEA супутникових систем. Варіації розробленого способу, наведені в прикладах, показали, що кратність послаблення потоку електронів з енергією 2,5 МеВ зразком із вмістом вольфраму 63 % і завтовшки 1,85 мм складає 4, зразком із змістом вольфраму 45 % і завтовшки 2,5 мм - 3,2, а сплавом АМг6 завтовшки 2 мм - 2. Таким чином, екрануюча здатність матеріалу із змістом вольфраму 63 % на енергії електронів 2,5 МеВ вище, ніж у АМг6 в 2 рази, а зразка із змістом вольфраму 45 % -в 1,6 разу. Приклад. Виготовляли зразки матеріалу з різним вмістом заповнювача наступним чином. 1. Приготування заповнювача: - відсів порошків вольфраму і карбіду вольфраму фракції менше 1 мкм; - змішування отриманих порошків з епоксидною смолою у співвідношенні 92% і 8% відповідно; - заливка суміші у виливниці і отвердження протягом 24 год. При температурі 80°С; - подрібнення заповнювача у шоковому подрібнювачі до розміру часток не більше 1 мм; - подрібнення отриманих часток у кульовому млині протягом 12 год.; - відсів гранул фракції від 300 до 350 мкм. 2. Виготовлення 4 зразків: - змішування суміші зв`язуючого (епоксидна смола) і заповнювача (отримані гранули) наступного складу: 1) 55 % заповнювач і 45 % епоксидна смола; 2) 60 % заповнювач і 40 % епоксидна смола; 3) 70 % заповнювач і 30 % епоксидна смола; 4) 75 % заповнювач і 25 % епоксидна смола; 5) 65 % заповнювач і 55 % епоксидна смола; - формування зразків шляхом заливки у виливниці; - вакуумування і полімеризація зразків при 80°С протягом 24 год. у вакуумній шафі. Результати імітаційних досліджень радіаційно-захисних властивостей отриманих зразків, наведених в таблиці, доводять, що використання матеріалів із вмістом заповнювача менш ніж 60 % (зразок 1) не забезпечує достатньої ефективності захисту, а матеріали із вмістом наповнювача більше 70 % (зразок 4) не дають вагомого підвищення ефективності захисту. Від протонів захищають всі досліджені матеріали повністю. 2 UA 108673 C2 № з/п 1 2 3 4 5 5 Склад матеріалу 55 % заповнювач + 45 % епоксидна смола 60 % заповнювач + 40 % епоксидна смола 70 % заповнювач + 30 % епоксидна смола 75 % заповнювач + 25 % епоксидна смола 65 % заповнювач + 55 % епоксидна смола Зменшення кількості електронів, що пройшли захист, у порівнянні з прототипом, рази Послаблення енергії електронів, що пройшли захист, у порівнянні з прототипом, рази 1,07 1,03 1,60 1,20 2,00 2 2,01 2,02 1,90 1,2 Похибка вимірювань не перевищувала 2%. Результати досліджень мікроструктури виготовлених зразків довели, що дисперсні частки вольфраму і карбіду вольфраму розподілені по об`єму рівномірно як у поперечному розрізі, так і по висоті зразка. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Спосіб отримання захисного матеріалу від космічного випромінювання, що включає операцію змішування суміші зв'язуючого і заповнювача, який відрізняється тим, що як зв'язуюче використовують радіаційно-стійкі епоксидні смоли, а як заповнювач - гранули, що складаються з порошків вольфраму і карбіду вольфраму в полімерній радіаційно-стійкій матриці, потім проводять формування зразків шляхом заливки у виливниці з подальшим вакуумуванням і полімеризацією при 80 °С протягом 24 год. при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: заповнювач 60…70 зв'язуючо-епоксидна смола 40…30, при цьому заповнювач одержують подрібненням і відсівом фракції 300…350 мкм композита, що складається з 90…92 % суміші нанодисперсних порошків вольфраму і карбіду вольфраму. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3