Модель влагопоглощения материалов, применяемых при производстве антенн Космических Аппаратов


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Рассмотрены процессы, протекающие при нахождении полиимидных пленок и углепластика в воздушной среде с различной влажностью. В космических аппаратах (КА) часто применяются различные полимерные материалы, в том числе полиимидные пленки и углепластики. Рефлекторы антенн из композиционных материалов для обеспечения требуемых радиотехнических характеристик покрывают тонким отражающим слоем металла, обычно алюминия. Для исключения возможной коррозии напыленного слоя на данных материалах необходимо знать количество влаги, содержащейся в объеме материала. При влагопоглощении полиимидными пленками и углепластиками происходит диффузия молекул воды, содержащихся в атмосфере, в объем материала. Для определения количества и кинетики сорбции влаги, содержащейся в окружающем воздухе, использована математическая модель, описанная Фиком. На основе уравнения Фика и условий, возникающих при построении модели для тонких полимерных материалов, получено уравнение для расчета динамики влагопоглощения полимерными материалами. По полученной модели влагопоглощения можно определить коэффициенты диффузии материалов путем термогравиметрического анализа и сопоставления полученных результатов с данной моделью. Получение и отбор материалов с пониженным значением влагопоглощения - это перспективное направление в материаловедении применительно к ракетно-космической сфере. Материалы с малым количеством поглощенной влаги позволяют производить КА с более длительным сроком активного существования и необходимы для перспективных аппаратов, в особенности с криогенным оборудованием.

Полный текст

Введение. В состав антенн космического аппарата входят высокоточные размеростабильные рефлекторы из композиционных материалов, к которым предъявляются высокие требования по точностям в различных температурных условиях эксплуатации. Наибольший вклад в отклонения рабочей поверхности от теоретической формы вносят термоупругие деформации, обусловленные влиянием температурного перепада, различием коэффициентов линейного теплового расширения материалов рефлектора (обшивок, сотового заполнителя, клеев), схем армирования полимерных композиционных материалов [1]. Рефлекторы антенн из композиционных материалов, работающие в высокочастотных диапазонах (Ka, Ku, Q и выше), для обеспечения требуемых радиотехнических характеристик покрываются тонким (около 1 мкм) отражающим слоем металла, как правило, алюминия. В условиях космического пространства рефлекторы антенн подвергаются воздействию различных факторов, в том числе высоких и сверхнизких температур и сверхвысокого вакуума. Для термостабилизации рефлекторов применяется экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ), представляющая собой пакет экранов, разделенных между собой легкой теплоизолирующей прокладкой (например, полиэфирной или арамидной сеткой). Экраны ЭВТИ изготавливают из полимерных пленок путем напыления на них теплоотражающих покрытий из металлов. Для умеренных температур (до 150-300 °C) обычно применяются пленочные экраны из полиэтилентерефталатной или полиимидной подложки с односторонним или двусторонним алюминиевым покрытием [2]. При хранении изготовленной пленки или рефлектора из углепластика с напылением может возникать коррозия напыленного слоя, в том числе и из-за влаги, содержащейся в объеме исходной пленки (углепластика), или из-за влаги, приобретенной объемом материала уже после напыления. Также наличие влаги, адсорбированной материалом, может приводить к значительному вкладу в состав собственной внешней атмосферы КА молекул воды при газовыделении материалами во время нахождения в условиях космоса, что ухудшает термооптические свойства элементов криогенного оборудования и его теплоизоляции [3]. Это увеличивает затраты энергии на поддержание температуры оборудования и снижает эффективность целевой аппаратуры (например, рефлекторов зеркальных антенн, оптической системы телескопа). При влагопоглощении полиимидными пленками и углепластиками происходит диффузия молекул воды в объем материала [4-8]. Для уменьшения деградации напыленного слоя и сохранения оптических коэффициентов разработанных покрытий необходимо выбирать пленки и углепластики с наименьшим значением влагопоглощения и оптимизировать технологические процессы производства и транспортировки для минимизации воздействия атмосферной влаги. Таким образом, необходимо знать абсолютное значение и кинетику влагопоглощения для определения их временных и количественных параметров. Математическое описание процесса диффузии. Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком в 1855 году. Уравнение Фика [9; 10], описывающее нестационарный процесс диффузии, показывает изменение концентрации вещества в различных точках пространства изотропной среды как функцию времени. Общий вид уравнения Фика (1) где D - коэффициент диффузии; c - концентрация вещества. Решая данное уравнение для случая сорбции пленок толщиной L, найдем количество вещества, проникшего в тело к моменту времени, соответственно равное [11; 12]: (2) где Q - количество вещества; l - толщина пленки; t - время проникновения вещества. Переходя к более привычным обозначениям массы, получим уравнение (3), по которому можно найти массу вещества [13-15], сорбированного образцом к моменту времени t: (3) где M∞ - равновесная масса сорбированного вещества; Mt - масса сорбированного вещества в момент времени t. Для удобства расчета разложим сумму до 3-го члена и запишем новое уравнение: (4) Уравнение (4) позволяет построить график зависимости приобретенной массы от времени сорбции материалом. При расчетах графиков функций влагопоглощения необходимо учитывать условия, при которых реально будет происходить сорбция влаги полиимидными пленками и другими материалами. Так как толщина пленки много меньше ее длины и ширины, то мы не учитываем вклад боковых поверхностей пленки в общее значение влагопоглощения. Также при определении значений сорбции необходимо учитывать, что расчет производится для диффузии только с одной стороны пленки. При расчетах, в которых образец находится полностью в среде абсорбата, необходимо производить расчеты с учетом двусторонней абсорбции. Полученное уравнение позволяет рассчитать кинетику сорбции для тонких полимерных материалов (без учета сорбции через боковые стенки), таких как полиимидные пленки и углепластики. В качестве примера применения используемой модели влагопоглощения показаны графики сравнения влагопоглощения для полиимидной пленки и углепластика, полученные в ходе натурных испытаний, и расчетные графики с применением данной модели (рис. 1, 2). Как видно из представленных рисунков, модель Фика описывает с высокой точностью динамику влагопоглощения углепластика и полиимидных пленок. Рассчитанные кривые сорбции позволяют определять условия хранения и транспортировки, оптимизировать этапы производства материалов для уменьшения количества приобретаемой материалом влаги. Также с помощью данной математической модели возможно определение коэффициента диффузии материала. Для определения коэффициента диффузии материала необходимо проведение термогравиметрического анализа материала и последующая математическая обработка и сопоставление полученных кривых с математической моделью. Заключение. В работе показана возможность использования модели Фика для определения коэффициентов диффузии и параметров влагопоглощения как для полиимидных пленок, так и для углепластиков. Рис. 1. Зависимости массы поглощенной влаги от времени поглощения углепластиком, полученные в натурных испытаниях и с помощью модели Фика Рис. 2. Зависимости массы поглощенной влаги от времени поглощения полиимидной пленкой, полученные в натурных испытаниях и с помощью модели Фика Таким образом, предложена методика расчета количества влаги, содержащейся в материалах, применяемых в антеннах КА, количество которой зависит от природы материала, времени нахождения в атмосфере паров воды и геометрических размеров материала. Предложен простой метод определения коэффициента диффузии полимерных материалов с помощью описанной математической модели и проведения термогравиметрического анализа материала.
×

Об авторах

И. В. Башков

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Р. А. Ермолаев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. Б. Кузнецов

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

А. Е. Михеев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: michla@mail.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. В. Гирн

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

  1. Тестоедов Н. А., Двирный Г. В., Пермяков М. Ю. Определение величины температурной деформации размеростабильных рефлекторов // Вестник СибГАУ. 2011. № 2 (35). С. 67-70.
  2. Мануйлов К. К. Исследование теплофизических и механических характеристик композитных материалов экранно-вакуумной теплоизоляции // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2015. № 53. 16 с.
  3. Влияние толщины криоконденсата на радиационные характеристики экрана теплоизоляции / Р. С. Михальченко [и др.]. ФТИНТ, 1988. 14 с.
  4. Tsenoglou C. J., Pavlidou S. and Papaspyrides C. D. Evaluation of interfacial relaxation due to water absorption in fiber-polymer composites // Composites Science and Technology. 2006. Vol. 66, No. 15. P. 2855-2864.
  5. Моделирование влагопереноса в слоистых пластиках и стеклопластиках / О. В. Старцев [и др.] // Физическая мезомеханика. 2002. Т. 5, № 2. С. 109-114.
  6. Мелёхина М. И., Кавун Н. С., Ракитина В. П. Эпоксидные стеклопластики с улучшенной влагои водостойкостью // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 2. С. 29-31.
  7. Sala G. Composite degradation due to fluid absorption // Composites. Part B. 2000. Vol. 31, No. 5. P. 357-373.
  8. Shen C. H., Springer G. S. Moisture Absorption and Desorption of Composite Materials // Journal of Composite Materials. 1976. Vol. 10. P. 2-20.
  9. Yuichiro Aoki, Ken Yamada, Takashi Ishikawa. Effects of water absorption and temperature on compression after impact (cal) strength of CFRP laminates // 16th Intern. Conf. on composite materials. 2007. 7 p.
  10. Hyojin Kim, Kenichi Takemura. Influence of water absorption on creep behaviour of carbon fiber/ epoxy laminates // Procedia Engineering, 2011.Vol. 10. P. 2731-2736.
  11. Грот С., Маузер П. Неравновесная термодинамика. М. : Мир, 1967. 456 с.
  12. Рейтлингер С. А. Проницаемость полимерных материалов. М. : Химия, 1974. 269 с.
  13. Манин В. А., Громов А. Н., Ковалкин М. А. Надежность и долговечность полимерных материалов и изделий из них. М., 1953. C. 85.
  14. Norton F. J. Gas permeation through lexan polycarbonate resin // Journal of Applied Polymer Science. 1963. Vol. 7, No. 5. P. 1649-1659.
  15. Eschbach H., Jaeckel R., Muller D. Z. Permeability of polymeric materials // Naturforsch. 1963. 18a. 434 p.
  16. Testoedov N. A., Dvirnyy G. V., Permyakov M. Yu. [Determination of the thermal deformation of dimensionally reflectors]. Vestnik SibGAU. 2011, No. 2(35), P. 67-70 (In Russ.).
  17. Manuylov K. K. [Study of thermal and mechanical characteristics of the composite screen-vacuum heat insulation]. Preprinty IPM im. M. V. Keldysha, 2015,
  18. No. 53, 16 p. (In Russ.).
  19. Mikhal’chenko R. S., Grigorenko B. V., Getmanets V. F., Kurskaya T. A. Vliyanie tolshchiny kriokondensata na radiatsionnye kharakteristiki ekrana teplo-izolyatsii [Influence of thick-ness pyrocondensate on the radiation characteristics of the screen insulation]. Khar’kov, FTINT, 1988, 14 p.
  20. Tsenoglou C. J., Pavlidou S., Papaspyrides C. D. Evaluation of interfacial relaxation due to water absorption in fiber-polymer composites. Composites Science and Technology, 2006, Vol. 66, No. 15, P. 2855-2864.
  21. Startsev O. V., Kuznetsov A. A., Krotov A. S., Anikhovskaya L. I., Senatorova O. G. [Modelling of moisture in laminated plastic and fiberglass]. Fizicheskaya mezzomekhanika. 2002, Vol. 5, No. 2, P. 109-114 (In Russ.).
  22. Melekhina M. I., Kavun N. S., Rakitina V. P. [Fiberglass epoxy with improved moisture resistance and water resistance]. Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2013, No. 2, P. 29-31 (In Russ.).
  23. Sala G. Composite degradation due to fluid absorption. Composites Part B. 2000, Vol. 31, No. 5, P. 357-373.
  24. Shen C. H., Springer G. S. Moisture Absorption and Desorption of Composite Materials. Journal of Composite Materials, 1976, Vol. 10, P. 2-20.
  25. Yuichiro Aoki, Ken Yamada, Takashi Ishikawa. Effects of water absorption and temperature on compression after impact (cal) strength of CFRP laminates. 16th international conference on composite materials, 2007, 7 p.
  26. Hyojin Kim, Kenichi Takemura. Influence of water absorption on creep behaviour of carbon fiber/epoxy laminates. Procedia Engineering, 2011, Vol. 10, P. 2731-2736.
  27. Grot S., Mauzer P. Neravnovesnaya termodinamika [Non-equilibrium thermodynamics]. Moscow, Mir Publ., 1967, 456 p.
  28. Reytlinger S. A. Pronitsaemost’ polimernykh materialov [The permeability of the polymeric material]. Moscow, Khimiya Publ., 1974, 269 p.
  29. Manin V. A., Gromov A. N., Kovalkin M. A. Nadezhnost’ i dolgovechnost’ polimernykh materialov i izdeliy iz nikh [Reliability and durability of polymer materials and products from them]. Moscow, 1953, 85 p.
  30. Norton F. J. Gas permeation through lexan polycarbonate resin. Journal of Applied Polymer Science, 1963, Vol. 7, No. 5, P. 1649-1659.
  31. Eschbach H., Jaeckel R., Muller D. Z. Permeability of polymeric materials. Naturforsch, 1963, 18a, 434 p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Башков И.В., Ермолаев Р.А., Кузнецов А.Б., Михеев А.Е., Гирн А.В., 2015

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах