CC BY
10
УДК 54.03
Молодцова А.В., Сотскова Л.П., Нечаева П.И., Мурадова А.Г., Юртов Е.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЧАСТИЦ ZnO НА СВОЙСТВА ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ
Молодцова Анна Викторовна, аспирант, e-mail: anna220791@yandex.ru
Сотскова Людмила Павловна, к.т.н., начальник лаборатории разработки и исследования эластичных теплозащитных покрытий
АО «Композит», Московская область, г. Королёв, ул. Пионерская, д. 4, 141070
Нечаева Полина Игоревна, студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии, nech314@yandex.ru Мурадова Айтан Галандар кызы, к.х.н., доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: aytanmuradova@gmail. com;
Юртов Евгений Васильевич, чл.-корр. РАН, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: nanomaterial@mail.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Получены частицы оксида цинка различной формы и исследовано их влияние на свойства теплозащитного покрытия, используемое для ракетно-космической техники. Выявлено улучшение физико-механических и адгезионных характеристик материала в присутствии частиц оксида цинка стержнеобразной формы.
Ключевые слова: наночастицы оксида цинка, наночастицы, теплозащитное покрытие
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF ZnO PARTICLES ON THE PROPERTIES OF THE HEAT-SHIELDING COATING
Molodtsova A.V., Sotskova L.P., Nechaeva P.I., Muradova A.G., Yurtov E.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *Tambov state technical University, Tambov, Russia
ZnO particles of various shapes were obtained and their influence on the properties of the heat-shielding coating used in rocket and space technology was investigated. The improvement of the physicomechanical and adhesive characteristics of the material in the presence of rod-shaped ZnO particles has been revealed.
Keywords: zinc oxide nanoparticles, nanoparticles, heat-shielding coating.
Во время работы летательного аппарата (ЛА) корпусные конструкции и элементы испытывают значительные влияния внешних тепловых нагрузок, возникающих под воздействием встречного аэродинамического потока. Это может привести к потере прочностных свойств конструкционных материалов. [1]
С целью обеспечения допустимой температуры эксплуатации конструкционных материалов, подвергающихся воздействию тепловых потоков целесообразно применение теплозащитных покрытий (ТЗП) сублимирующего типа, которые должны сочетать в себе высокие прочностные и адгезионные характеристики, низкую плотность и теплопроводность, высокую теплоемкость. Принцип их работы характеризуется потерей поверхностного слоя с целью сохранения благоприятного теплового режима и целостности самой защищаемой конструкции. Большой интерес представляют материалы на основе органических связующих и дисперсных наполнителей. В последнее десятилетие уделяется огромное внимание получению
теплозащитных и полимерных конструкционных материалов (ПКМ) с различными
наномодификаторами. Особенный интерес представляет использование частиц оксида цинка в качестве наполнителя в теплозащитных покрытиях [2]. Введение частиц оксида цинка в качестве наполнителя, влияет на физико-механические свойства композита [3].
В настоящее время существует большое количество методов получения частиц оксида цинка различной формы. Наибольшее внимание привлекают жидкофазные методы, поскольку эти методы обладают рядом преимуществ, например, возможность контролировать размер получаемых частиц, простота используемого оборудования и воспроизводимость.
Целью данной работы было исследование влияния частиц оксидов цинка различной формы на свойства теплозащитного покрытия.
Получены частицы оксида цинка различной форм различной формы методом осаждения [2]. На первом этапе исследовалось влияние частиц оксида
цинка стержнеобразной формы. Для определения оптимального их содержания были изготовлены рецептуры ТЗП с содержанием оксида цинка 0,005%, 0,008% и 0,05%.
Теплозащитное покрытие представляет собой композицию на основе силоксанового блоксополимерного каучука (30%-ный раствор в толуоле) и полых стеклянных микросфер. Частицы оксида цинка вводились в заранее приготовленную массу полимера со микросферами. Далее полученная смесь подвергалась ультразвуковой обработке в
течение 10 - 15 минут. После чего вводился отверждающий агент. Каждый слой покрытия наносился методом пневматического напыления двумя перекрещивающимися проходами.
Отверждение покрытия осуществлялось с использованием, как «холодного», так и «горячего» режима сушки. После окончательной сушки были определены плотность, физико-механические и адгезионные свойства покрытия (таблица 1).
Таблица 1. Результаты испытания покрытия, содержащего частицы 2пО стержнеобразной формы
Наименование показателя Рецептура
Стандартная рецептура (ср. значение) Содержание гпО 0,005% Содержание гпО 0,008% Содержание гпО 0,05%
Плотность, кг/м3 524 ± 9 526 ± 9 524 ± 12 524 ± 10
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 2,25 ± 0,09 2,26 ± 0,09 2,28 ± 0,11 2,39 ± 0,06
Относительное удлинение, % 8,3 ± 2,7 8,6 ± 1,9 10,5 ± 3,1 13,4 ± 2,4
Разрушающее напряжение при отрыве, МПа 1,24 ± 0,26 1,13 ± 0,28 1,31 ± 0,27 1,45 ± 0,23
Из таблицы видно, что повышение концентрации частиц оксида цинка стержнеобразной формы приводит к увеличению основных показателей покрытия. При содержании наночастиц в количестве 0,05 % наблюдается улучшение физико-механических характеристик на 6 %, адгезионных -на 15%, в то время как плотность материала остается неизменной.
Также исследовалось влияние частиц стержнеобразной формы на термостойкость материала на воздухе. По результатам были построены термогравиметрические кривые -зависимости потери массы навески от температуры (рисунок 1).
- М '¿гйсвщн!
.... 990№ Гликипц
1КЩ.1
тммрлпм СС) ■н
Рисунок 1. Зависимость потери массы образца ТЗП от температуры (на воздухе)
При проведении испытаний на воздухе температура разложения и покрытия стандартной рецептуры, и в присутствии наночастиц в количестве 0,05 % составила ~ 400°С. Выявлено, что введение в рецептуру частиц оксида цинка стержнеобразной формы не оказывает влияния на термостойкость покрытия.
На следующем этапе опробовалась рецептура ТЗП, содержащая частицы оксида цинка цветочноподобной формы в количестве 0,05 %. Причем исследовалось не только влияние формы частиц на свойства теплозащитного покрытия, но и способа их введения. В первой рецептуре (прямое введение) наночастицы вводились по методу, указанному выше, непосредственно в матрицу полимера с наполнителем, обрабатывались ультразвуком в течение 10 - 15 минут и затем приливался отвердитель. Во второй рецептуре (обратное введение) наночастицы вводились в отвердитель, обрабатывались ультразвуком в течение 10 - 15 минут и затем полученная смесь вводилась в массу полимера с наполнителем. После окончательной сушки образцов были определены физико-механические и адгезионные
характеристики. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2. Результаты испытания покрытия, содержащего частицы 2пО цветочноподобной формы
Наименование показателя Рецептура
Стандартная рецептура (ср. значение) Содержание ZnO 0,05% (прямое введение) Содержание ZnO 0,05% (обратное введение)
Плотность, кг/м3 524 ± 12 526 ± 9 524 ± 11
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 2,25 ± 0,19 2,23 ± 0,09 2,27 ± 0,05
Относительное удлинение, % 8,3 ± 1,9 8,1 ± 2,0 9,6 ± 3,3
Разрушающее напряжение при отрыве, МПа 1,24 ± 0,33 1,07 ± 0,25 1,38 ± 0,29
Установлено, что введение частиц в отвердитель (обратное введение) приводит к незначительному повышению основных показателей (разрушающее напряжение при отрыве увеличилось на 10%) в то время, как при введении частиц в полимерную матрицу (прямое введение) наблюдается снижение характеристик.
Также исследовалось влияние частиц цветочноподобной формы на термостойкость материала на воздухе. По результатам были построены термогравиметрические кривые -зависимости потери массы навески от температуры (рисунок 2).
гС1
Рисунок 2. Зависимость потери массы образца ТЗП от температуры (на воздухе)
При проведении испытаний на воздухе температура разложения и покрытия стандартной рецептуры, и в присутствии цветочноподобных наночастиц оксида цинка в количестве 0,05% составила ~ 415°С. Следовательно, введение в рецептуру частиц оксида цинка не оказывает влияния на термостойкость покрытия.
Список литературы
1. Полежаев Ю.В., Юрьевич Ф.Б. Тепловая защита. Под редакцией А.В. Лыкова. М. «Энергия», 1976 - 392 с.
2. Avdeeva, A. V., Zang, X., Muradova, A. G., Yurtov, E. V. Formation of Zinc-Oxide Nanorods by the Precipitation Method // Semiconductors, 2017. pp. 17241727.
3. Цзан Сяовэй, Авдеева А.В., Мурадова А.Г., Юртов Е.В. Получение наностержней оксида цинка химическими жидкофазными методами // Химическая технология. 2014, Т.15, № 12, С. 715722.
