Технический прогресс и экономика (стр. 5 )

В первой из них, названной Photosil, главным процессом является поверхностное поглощение кремния с последующей окислительной стабилизацией.

Во второй (Implantox) используется ионная имплантация Si, Al, Si+Al, Si+Al+B, Y, Sm, Gd в поверхность подложки в специально выбранных условиях.

Вторая технология успешно применялась для защиты изоляционной пленки каптона в сотовых конструкциях СБ путем модификации поверхности методом ионной имплантации элементов Si+B, Si+Al+B.

Известен также метод механической защиты материалов и структур КА с помощью, например, анодированных алюминиевых фольг, стеклотканей и т. д.

Сравнительно недавно были синтезированы новые полимеры, которые устойчивы к воздействию АК [9]. Они имеют в своей структуре химические элементы (Si, P и др.), которые играют главную роль в создании на поверхности стабильных защитных структур в виде нелетучих оксидов или стеклоподобных веществ при нахождении полимеров в окислительной окружающей среде. Таким образом, улучшенная сопротивляемость к атомарному кислороду таких материалов основана на механизме поверхностной конверсии – образовании самозащитного поверхностного слоя в виде «корки» при взаимодействии с АК. Похожие процессы возникают, например, в полимерах с силиконовыми покрытиями типа CV 11440 или в каптоне, поверхностно модифицированном Al+Si или Al+Si+B посредством ионной имплантации, а также в полимерах «тритон» системы (TOR), например, в полиариленовом эфире бензидозол-оксид фосфина - РАЕВI-РАЕ (рис. 2).

Полимеры «тритон» системы представляют собой класс космических особо стойких полимеров со следующими свойствами в подклассах:

1) сопротивляемостью к АК и УФ-излучению; 2) минимальной деградацией ?s/E (поглощение/излучение); 3) проводимостью для стойкости к электростатическим разрядам; 4) экранировкой электромагнитного поля.

Рис. 2. Один из полимеров «тритон» системы

(полиариленовый эфир бензидозол-оксид фосфина - РАЕВI-РАЕ).

К полимерам, стойким к АК, относятся также полимеры, полученные методом химической модификации путем внедрения в структуру полимерных цепей различных силоксаносодержащих фрагментов [9, 10]. Известно два типа таких полимеров:

сегментные силоксано-имидовые сополимеры – рис. 3 (а), полимеры на основе эпоксисилановой синтезированной смолы – рис. 3 (б).

Синергическое воздействие УФ-излучения и АК на полимерные материалы

Важной спецификой взаимодействия АК с материалами космических объектов на освещенных участках орбиты является совместное воздействие на материалы кисло-родной плазмы и солнечного электромагнитного излучения с наиболее эффективным участком при ? = 50 - 400 нм. Основной механизм взаимодействия УФ-излучения с полимерами состоит в следующем. Энергии связи большинства органических соеди-нений равны примерно 2 - 4 эВ, поэтому фотон УФ-излучения, полностью поглощен-ный молекулой полимера в единичном акте, может вырвать электроны, осущест-вляющие химическую связь, и перевести их на более высокие орбиты. Молекула окажется в возбуждённом состоянии, из которого она может либо диссоциировать, либо вернуться в основное состояние. Если произойдет диссоциация и последующие химические реакции, энергия излучения будет частично затрачена на химические изменения.

Остальная, обычно бoльшая часть, превратится в тепло. Небольшая часть энергии может быть в некоторых случаях излучена путём флуоресценции.

Воздействие на полимеры только АК сводится к химическим реакциям окисления и механическому воздействию на поверхность.

Результаты же синергического воздействия УФ и АК на полимеры могут быть различными в зависимости от природы полимера, его физико-механического состояния, окружающего пространства и т. д.

Так было замечено, что бoльшая деградация материалов при синергическом воздействии УФ и АК происходит при наземной имитации по сравнению с космосом, причём скорость реакций в космосе значительно ниже, чем на Земле [4 - 6, 13 - 16]. Расхождения возникают по нескольким причинам – из-за различия доз и углов падения АК, интенсивностей и спектрального распределения солнечного излучения, наличия загрязнений на поверхности космических объектов.

Скорости химических реакций с основным материалом в космосе уменьшаются, т. к. АК вначале реагирует с загрязнениями, а затем уже с основным материалом.

При этом загрязнения, как правило, разлагаются до газообразных продуктов, которые механически сдуваются с поверхности материалов потоком АК, очищая поверхность.

Особенностью синергического воздействия АК и УФ на полимеры является зависимость механизмов взаимодействия от физико-механического состояния полимеров.

Так, ненапряженные плёнки фторсополимеров типа Ф-400 и Ф-4 (защитные плёнки и оплётки проводов) оказались стойкими в течение 4-х летней экспозиции на НОО. Плёнки Ф-400, присоединенные методом термокомпрессии к солнечным элементам (СЭ), полностью деградировали за то же самое время в условиях НОО: пожелтели, утратили оптическую прозрачность, растрескались, а в некоторых местах полностью разрушились [8].

В тех же условиях НОО незащищённый каучук СКТНФ в напряжённом состоянии превратился в диоксид кремния, а ненапряжённый каучук сохранил свою основную структуру, несмотря на изменения в органическом обрамлении [8].

Примером синергического взаимодействия АК и УФ на каптон и FEP тефлон является исследование старения наружных материалов платформы радиаторов спутника Spot, проработавшего на орбите 820 км 11 лет в условиях солнечной активности [4]. Воздействие УФ-излучения приводило к хрупкости верхних слоев полимеров, а воздействие АК – к продолжительному травлению верхнего уже хрупкого слоя (несколько мкм в год в период солнечной активности). Таким образом, АК помогал сохранить и даже реставрировать недеградированную часть материала, находящегося в верхних слоях.

Замедление деградации полисилоксанов при синергии АК и УФ по сравнению с действием этих факторов по отдельности изучалось в наземных условиях на примере полиметисилоксанов и полисилоксанов с фенильными и фенантренильными группами [12 - 13].

Уже ранние исследования по воздействию УФ и кислорода воздуха на полиорганосилоксаны показали, что кислород воздуха производит осветление полифенилсилоксанов, потемневших в результате воздействия УФ [12].

В дальнейшем было установлено, что АК ослабляет воздействие УФ на полисилоксаны с фенильными и фенантренильными группами. Исследование потерь массы этих полимеров после воздействия только АК было в среднем на 7 % больше, чем при синергии УФ + АК, что объяснялось тушением долгоживущих возбуждённых состояний, вызванных УФ [13].

В полиметилсилоксанах не происходит заметного изменения в УФ спектре, поскольку в них отсутствуют хромофорные группы, ответственные за поглощение света в области 200 - 400 нм, поэтому эффекта ослабления воздействия УФ атомарным кислородом в этом случае не наблюдается.

В то же время полисилоксаны с фенильными и фенантренильными группами по сравнению с метилсилоксанами более стойки к АК из-за стабилизирующего действия ароматического обрамления [8].

Механизм этой стабилизации, называемый «эффектом губки», состоит в следующем. Ароматическое кольцо способно поглощать не только ту энергию, которую оно получает непосредственно, но также бoльшую часть энергии, получаемой соседними группами, а затем превращать всю энергию в тепло, не вызывая разрыва соседних связей, так как эта энергия может быстро распространяться по резонирую-щему бензольному кольцу, не задерживаясь ни в одной связи настолько, чтобы успеть её порвать.

Исследование воздействия АК на кремниевые СЭ,

фрагменты и подложки СБ

При определении стойкости СБ к АК необходимо рассмотреть защиту от АК фотогенераторной части СБ, а также стойкость наружных материалов подложки СБ к АК.

С целью исследования воздействия АК на образцы СЭ и фрагменты отечественных СБ были проведены ускоренные наземные испытания в имитаторе низкотемпературной кислородной плазмы [11].

Для её получения использовали индукционный ВЧ-разряд при низком давлении. Интегральный поток ионов кислорода FjИМ с энергией 5 эВ, полученный в имитаторе, составлял 1019 ионов·см-2, что равнялось соответствующему потоку АК в космосе на высоте 200-300 км.

Время ускоренных испытаний (t) определялось из выражения

t = FjИМ / NjИМ,

где  NjИМ  – плотность потока имитируемых ионов кислорода.

В условиях эксперимента в данном имитаторе

NjИМ = 1015 см-2 · с-1, отсюда

t = (1019 см-2)/( 1015 см-2 · с-1) = 104 с = 2,8 ч,

т. е. годовая доза облучения образцов в натурных условиях набиралась имитаторе за 2,8 часа.

Исследовались образцы кремниевых СЭ и фрагменты СБ на их основе.

Образцы СЭ размером 5 ? 5 см с лицевой и тыльной сторон были защищены стеклянными пластинами толщиной 0,2 мм, изготовленными из стекла марки К-208. С двух сторон каждого СЭ были выведены медные шинки толщиной 50 мкм, покрытые серебром толщиной 6 мкм. Серебряное покрытие на шинках не было защищено.

Фрагмент  СБ имел размер 100 ? 76 мм и состоял из СЭ размером 2,5 ? 5,0 см. СЭ вместе с шинками фрагмента были защищены с двух сторон стеклянными пластинами толщиной 0,22 мм.

До и после воздействия АК измерялись вольтамперные характеристики (ВАХ) образцов, вычислялись КПД и коэффициент заполнения ВАХ.

Образцы СЭ облучались по режиму ускоренных испытаний годовой и полуторогодовой дозой облучения, а фрагмент СБ – дозой, равной 3 и 6 годам пребывания на НОО.

Образцы СЭ после воздействия АК практически не изменили своих параметров.

Однако, слой незащищенного серебра, покрывающий шинки, подвергся окислению. При наблюдении в интерференционном микроскопе на поверхности шинок наблюдались продукты окисления серебра черного и светло-коричневого цвета, которые являются оксидами серебра (AgO и Ag2О).

Точно такая же картина была выявлена на образцах шин с незащищенным серебряным покрытием после 4-х летнего пребывания на ОС «Мир» [8], что свидетельствует о более низких скоростях окисления серебра в космосе (почти в 3 раза).

Таким образом, необходимо защищать шинки из серебра и все детали СБ, покрытые серебром.