CC BY
75
УДК 621.396.67:629.78.01
Вестник СибГАУ Т. 16, № 4. С. 864-867
МОДЕЛЬ ВЛАГОПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ АНТЕНН КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
И. В. Башков1, Р. А. Ермолаев1' 2, А. Б. Кузнецов1, А. Е. Михеев2*, А. В. Гирн2
1АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
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 влагопогло-щения 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.
Ключевые слова: полиимидные пленки, углепластик, диффузия, сорбция.
Vestnik SibGAU Vol. 16, No. 4, P. 864-867
MODEL OF MOISTURE ABSORPTION MATERIALS USED IN THE MANUFACTURE OF SPACECRAFT ANTENNAS
I. V. Bashkov1, R. А. Ermolaev1, 2, А. B. Kuznetsov1, A. E. Miheev2*, A. V. Girn2
1JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin St., Zheleznogorsk, 662972, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
In this case study the processes occurring in finding the polyimide films and carbon plastic in the air with different humidity have been analyzed. Various polymeric materials including polyimide film and carbon fiber are used in spacecraft (SC) manufacture.
For achievement of desired radio characteristics for composite reflector antennas are coated with a thin reflective metal layer, usually aluminum. It is necessary to know the volume of moisture contained in the bulk material, for elimination of corrosion risk for the sprayed layer.
In case of moisture-absorption of the polyimide film and CFRP, the diffusion of water molecules contained in the atmosphere into the material occurs.
Fick's mathematical model is used to determine the amount and sorption kinetics of moisture contained in the ambient air. On the basis of the Fick's equation and conditions arising in the construction of models for thin polymeric materials the equation for calculating the dynamics of moisture absorption polymeric materials was obtained.
According to the resulting model of moisture absorption, the diffusion coefficients of materials by thermo gravimetric analysis and comparison of the results obtained, with this model can be determined.
The production and selection of material with low moisture absorption value is a trans-promising direction in materials applied to the rocket and space industry. The materials with a small amount of moisture absorbed by the SC allow a longer active life (CAC) and the need for future up-formulations, in particular - with cryogenic equipment.
Keywords: Polyimide film, carbon fiber, diffusion, sorption.
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 (Ка, Ки, 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 тепло-отражающих покрытий из металлов. Для умеренных температур (до 150-300 °С) 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 техноло-
гические 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
^ = D dt
d 2c dx2
(1)
где Б - коэффициент диффузии; с - концентрация вещества.
Решая данное уравнение для случая сорбции пленок толщиной Ь, найдем количество вещества, проникшего в тело к моменту времени, соответственно равное [11; 12]:
8
Q = col V1 --1
1
л2 k=o (2k +1)
-exp
Л2 Dt
l2
(2)
где Q - количество вещества; I - 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 ,:
Mt = J c(x, t)dx -
= M„
1 -4 Z-
2 z —f exp л „=о(2и +1)
(2n +1)2 л2 " l2
Dt)
(3)
где Мш - равновесная масса сорбированного вещества; М, - масса сорбированного вещества в момент времени ,.
Для удобства расчета разложим сумму до 3-го члена и запишем новое уравнение:
M = M„
1--7 lexP
л2 Dt
1 9л2 Dt 1 25л2 Dt Ц
— exp 9 - l2 _ +--exp 25 _ l2 _ L
(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 вла-гопоглощения 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.
х 0,06000
5 0,04000
- Образец Мат модель
200 300 400
Время влагопоглощения, суток
ij 0,0002
- Образец мат модель
1000 1500 2000
Время влагопоглощения, секунд
Рис. 2. Зависимости массы поглощенной влаги от времени поглощения полиимидной пленкой, полученные в натурных испытаниях и с помощью модели Фика
0,12000
0,10000
0,08000
0,02000
0,00000
0
500
600
0
0
Рис. 1. Зависимости массы поглощенной влаги от времени поглощения углепластиком, 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.
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования Российской Федерации, государственный контракт № 2.G2531.0043, 2014/211, 9.447.2014/к.
Acknowledgments. This work was financially supported by the Ministry of Education of the Russian Federation, the state contract № 2.G2531.0043, 2014/211, 9.447.2014/k.
Библиографические ссылки
1. Тестоедов H. 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 влаго-и 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.
References
1. Testoedov N. A., Dvirnyy G. V., Permyakov M. Yu. [Determination of the thermal deformation of dimension-ally reflectors]. Vestnik SibGAU. 2011, No. 2(35), P. 6770 (In Russ.).
2. Manuylov K. K. [Study of thermal and mechanical characteristics of the composite screen-vacuum heat insulation]. Preprinty IPM im. M. V. Keldysha, 2015, No. 53, 16 p. (In Russ.).
3. Mikhal'chenko R. S., Grigorenko B. V., Getma-nets 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.
4. 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.
5. Startsev O. V., Kuznetsov A. A., Krotov A. S., Anikhovskaya L. I., Senatorova O. G. [Modelling of moisture in laminated plastic and fiberglass]. Fizicheskaya mezzo-mekhanika. 2002, Vol. 5, No. 2, P. 109-114 (In Russ.).
6. 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.).
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 international conference 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. 27312736.
11. Grot S., Mauzer P. Neravnovesnaya termodi-namika [Non-equilibrium thermodynamics]. Moscow, Mir Publ., 1967, 456 p.
12. Reytlinger S. A. Pronitsaemost'polimernykh ma-terialov [The permeability of the polymeric material]. Moscow, Khimiya Publ., 1974, 269 p.
13. 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.
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.
© Башков И. В., Ермолаев Р. А., Кузнецов А. Б., Михеев А. Е., Гирн А. В., 2015
