CC BY
11УДК 621.039.53/54+624.014+721.01
Эффект памяти формы в технологиях построения конструкций в условиях невесомости
Плескачевский Ю.М.
Член-корреспондент НАН Беларуси, г. Минск, Беларусь
Описаны условия проявления эффекта памяти формы для аморфно-кристаллических радиационно-модифицированных полимерных материалов и некоторых сплавов металлов. Предложены инженерные решения, составившие основу следующих изобретений: термоусаживающийся материал для трансформирующихся металлополимерных конструкций, трансформирующаяся солнечная батарея, а также способы изготовления складной антенны и построения трансформирующейся металлополимерной конструкции в условиях невесомости, технология изготовления трансформирующейся конструкции космического аппарата из полимерных материалов, методология дозиметрии ионизирующего излучения. Приведены основные технологические и конструктивные способы практической реализации, обеспечивающие корректное построение и эффективную работу данных инженерных решений в условиях невесомости.
Ключевые слова:
эффект памяти формы, аморфно-кристаллические полимеры, титано-никелевые и медно-алюминиевые сплавы, невесомость, трансформирующиеся конструкции.
Введение
Ряд материалов, выполняющих конструкционное или функциональное назначение, обладают уникальным свойством, называемым эффектом памяти формы. Таким свойством характеризуются аморфно-кристаллические полимерные материалы и сплавы на основе никеля и титана, меди и алюминия, а также других компонентов. Эффект памяти формы у полимеров имеет энтропийную природу, у названных сплавов металлов он связан с мартенситным переходом кристаллической структуры.
Технологии и расчётные оценки
Для полимеров, содержащих кристаллическую и аморфную фазы, а также способных к межмолекулярному сшиванию под действием ионизирующих излучений, эффект памяти формы достигается в результате осуществления следующих технологических операций. Сначала сшивающийся полимер облучают до дозы, которая может быть несколько меньше дозы гелеобразования. Затем его нагревают с целью плавления кристаллических участков и растягивают. Следующая стадия - охлаждение находящегося под напряжением полимера до восстановления кристаллической структуры. Полученный таким путём материал подвергается повторному нагреванию. При этом в ходе терморелаксации пространственно-молекулярной сетки полимер стремится восстановить исходную форму. Терморелаксационные характеристики радиационно-сши-того термопласта определяются параметрами трёхмерной макромолекулярной сетки и условиями сшивания полимера.
Нами проведена оценка зависимости степени реализации эффекта памяти Ер как характеристики терморелаксационных свойств термопластов от показателя их сшивания Yc. Для расчёта Ер предложена формула [1]:
к-к I -о
х юо %,
где /0, /1к - длина образца исходная, после ориентации и конечная после терморелаксации соответственно.
Для оценки корректности определения структурных параметров трёхмерной сетки по равновесным упругим свойствам полимеров (на примере сшитого разными дозами полиэтилена высокого давления - ПЭВД) установлены температурные области выполнения условий высокоэластического состояния, т. е. условия обратимости деформаций и пропорциональности напряжений растяжения о абсолютной температуры Т. Отмечено, что независимо
от плотности трёхмерной структуры полимера, т. е. поглощённой им дозы облучения, пропорциональная зависимость о от Тустанавливается при температуре, превышающей примерно на 40 К точку плавления кристаллической фазы ПЭВД. Данная температура соответствует истинной равновесной температуре плавления полиэтилена (411... 417 К).
При температурах, более близких к наблюдаемой точке плавления (378 К), отмечено резкое уменьшение о, вызванное, по-видимому, гетерогенностью расплава, а также тем обстоятельством, что сохранившиеся кристаллические образования препятствуют проявлению релаксационных свойств всех напряжённых поперечных связей трёхмерной сетки. Вместе с тем полное восстановление геометрических размеров образцов (Ер = 100 %) после снятия растягивающей нагрузки наблюдается уже при 383. 388 К. Полученные результаты, а также данные таблицы для полиэтилена низкого давления (ПЭНД) свидетельствуют о корректности применения кинетической теории высокоэлас-тичности к редкосетчатым термопластам при их разогреве до температур, превышающих истинную равновесную температуру плавления полимера.
Сборник материалов IV международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ БЛИЖНЕГО КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
Таблица - Взаимосвязь дозы облучения, показателя сшивания Yc и степени реализации эффекта памяти Ер ориентированного ПЭНД (степень вытяжки А = 1,5) [1]
Поглощённая доза, кГр Yc Ер, %
25 0 0
50 0 0
75 0,26 15
100 0,9 100
200 6 100
400 19 100
1000 50 100
Примеры инженерных решений
Проведённые исследования аморфно-кристаллических полимеров в сочетании с известными данными об условиях проявления эффекта памяти формы у различных сплавов металлов позволили разработать ряд оригинальных инженерных решений.
Термоусаживающийся материал для трансформирующихся металлополимерных конструкций на матрице из радиационно-модифицированного ПЭВД, армированного проволочной решёткой из титано-никелевого сплава. Материал позволяет создавать из него широкий набор конструкций, способных трансформироваться в условиях невесомости [2].
Способ изготовления складной антенны, обладающей в сложенном состоянии эффектом памяти формы и восстанавливающей первоначальную конфигурацию за счёт теплового излучения Солнца, например, в космосе [3].
Способ построения трансформирующейся метал-лополимерной конструкции в условиях невесомости, включающий сборку на Земле отдельных узлов и конструкции в целом с помощью соединительных элементов из материала, обладающего памятью; свёртывание (складывание) конструкции в компактное состояние; доставку на орбиту; последующее развёртывание конструкции уже на орбите в условиях невесомости путём прогрева соединительных элементов тем или иным источником тепла [4].
ЭФФЕКТ ПАМЯТИ ФОРМЫ В ТЕХНОЛОГИЯХ ПОСТРОЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ
Плескачевский Ю.М.
1.
2.
Способ изготовления трансформирующейся кон- Литература струкции космического аппарата из полимерных материалов, по сути, позволяющий создавать в космосе на земной орбите гигантские металлизированные листовые и плёночные зеркала, фокусирующие и направляющие на Землю сверхмощные потоки теплового излучения Солнца [5].
Трансформирующаяся солнечная батарея, характеризующаяся повышенным ресурсом работы и стойкостью к радиационным воздействиям, гибкие фотоэлементы которой с помощью адгезионно-активного у-облучённого порошкообразного ПЭВД крепятся к панели из листового ПЭВД, обладающего памятью формы [6].
Способы дозиметрии ионизирующего излучения, позволяющие просто и с высокой точностью определять поглощённые элементами космических конструкций дозы ионизирующих излучений в широком диапазоне их значений с помощью датчиков в виде плёночных лент из полимера, обладающего эффектом памяти формы. Поглощённая доза определяется линейкой с делениями по величине усадки плёнки в процессе её терморелаксации [7, 8].
Вышеназванные инженерные решения могут с успехом использоваться при практической реализации предложенных инженером А.Э. Юницким геокосмических транспортных систем и космических кластеров типа «ЭкоКосмоДом» [9].
4.
Выводы
Для аморфно-кристаллических радиационно-моди-фицированных термопластичных полимерных материалов 8. и ряда сплавов металлов при изменении температурных условий характерно проявление эффекта памяти формы. В сплавах металлов этот эффект реализуется как результат мартенситных переходов кристаллической структуры, в по- 9. лимерных материалах - как итог последовательных технологических операций, придающих полимеру терморелаксационные свойства. Предложена формула, предназначенная для оценки степени реализации эффекта памяти формы сшивающихся термопластов; определены оптимальные фазы облучения, обеспечивающие показатели сшивания макромолекул полимера не менее единицы и степень реализации эффекта памяти формы до 100 %. На основе проведённых исследований и установленных параметров технологических режимов разработаны инженерные решения (антенны, трансформирующиеся конструкции, солнечные батареи, дозиметры), которые могут с успехом использоваться при практическом построении и эксплуатации предложенных инженером А.Э. Юницким геокосмических транспортных систем и космических кластеров типа «ЭкоКосмоДом».
Плескачевский, Ю.М. Введение в радиационное материаловедение полимерных композитов / Ю.М. Плескачевский, В.В. Смирнов, В.М. Макаренко. - Минск: Навука i тэх-нка, 1991. -191 с.
Термоусаживающийся материал для трансформирующихся металлополимерных конструкций: а. с. SU 689251/ В.А. Белый, Ю.М. Плескачевский, Т.М. Качалова, А.К. Новиков. - Опубл. 03.05.1978.
Способ изготовления складной антенны:: а. с. SU 594845/ Ю.М. Плескачевский, В.Н. Мизгайлов, Т.М. Качалова, В.В. Смирнов, А.К. Новиков. - Опубл. 25.10.1976.
Способ построения трансформирующейся металло-полимерной конструкции в условиях невесомости: а. с. SU 657708/В.А. Белый, Ю.М. Плескачевский, Т.М. Качалова. - Опубл. 03.11.1977.
Способ изготовления трансформирующейся конструкции космического аппарата из полимерных материалов: а. с. SU731668/В.А. Белый, ТМ. Качалова, Ю.М. Плескачевский. - Опубл. 02.10.1978.
Трансформирующаяся солнечная батарея: а. с. SU 766141/ В.А. Белый, Т.М. Качалова, Ю.М. Плескачевский. - Опубл. 26.10.1978.
Способ дозиметрии ионизирующего излучения: а. с. SU1661702/В.П. Селькин, В.Н. Адериха, Ю.М. Плескачевский, Г.З. Гочалиев, Б.И. Рубин, В.В. Смирнов, В.В. Гофштейн, Е.Б. Дубова. - Опубл. 14.09.1987. Способ дозиметрии ионизирующего излучения: а. с. SU 1347716 / Ю.М. Плескачевский, В.П. Селькин, В.В. Смирнов, Е.Б. Дубова, Г.З. Гочалиев, Б.И. Рубин. -Опубл. 03.04.1986.
Безракетная индустриализация космоса: проблемыы, идеи, проекты: материалыi IIмеждунар. науч.-техн. конф., Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - 240 с.
Сборник материалов IV международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ БЛИЖНЕГО КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
