CC BY
92Решетневскуе чтения. 2017
УДК 665.939.57
РАДИОПРОЗРАЧНЫЕ ЦИАНАТЭФИРНЫЕ СИНТАКТИКИ (СФЕРОПЛАСТИКИ) НА ОСНОВЕ ПОЛЫХ СТЕКЛЯННЫХ ИЛИ ПОЛИМЕРНЫХ МИКРОСФЕР ДЛЯ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В. Ф. Аристов1, И. А. Вихров2*
:ООО «Научно-исследовательский институт космических и авиационных материалов» Российская Федерация, 152025, г. Переславль-Залесский, пл. Менделеева, 2р
2ООО «Синтез-проект» Российская Федерация, 152025, г. Переславль-Залесский, пл. Менделеева, 2р, пом.160
E-mail: kvazykvark@yandex.ru
Представлены разработки ООО «НИИКАМ» в области радиопозрачных цианатэфирных синтактиков на основе стеклянных и полимерных микросфер - перспективных материалов для приёмопередающих устройств КА, приведены сводные данные по свойствам.
Ключевые слова: синтактик, сферопластик, радиопрозрачный, цианатэфирный.
RADIO CYANATE ESTER SYNTACTICS (SPHEROPLASTICS) ON THE BASIS OF HOLLOW GLASS OR POLYMER MICROSPHERES FOR TRANSCEIVER DEVICES OF SPACE SATELLITES
V. F. Aristov1, I. A. Vikhrov2*
1"Research institute of cosmic and aviation materials" Ltd 2p, Mendeleev Sq., Pereslavl-Zalessky, Yaroslavl region, 152025, Russian Federation
2"Syntez-project" LLC 2p/160, Mendeleev Sq., Pereslavl-Zalessky, Yaroslavl region, 152025, Russian Federation
*E-mail: kvazykvark@ya.ru
The research presents the developments by «Research institute of cosmic and aviation materials» Ltd in the field of radiotracing cyanate ester syntactics based on glass and polymeric microspheres, they are promising materials for spacecraft transceivers. The research summarizes these properties.
Keywords: cyanate ester, syntactic, spheroplastic, radio.
Для изготовления различных приемопередающих устройств космических аппаратов (КА) требуются материалы со специальными характеристиками, обеспечивающими надежную работу как самого устройства, так и не нарушающими функционирование всего КА в целом. В общем эти материалы должны иметь минимальный удельный вес, стойкость к факторам космического пространства (циклические перепады температур +/- 160 °С, космические лучи, вакуум) для незащищённых элементов устройств, низкие показатели газо- и пылевыделения, а также устойчивость к вибрационным нагрузкам, возникающим при выводе КА на орбиту. Для ряда элементов устройств, например, обтекателей антенн, к используемым материалам дополнительно предъявляются требования по диэлектрическим характеристикам - это минимальные значения диэлектрической постоянной е и тангенса угла диэлектрических потерь 5 в диапазоне частот порядка десятков ГГц.
К таким материалам относятся полимерные композитные материалы (ПКМ) на основе стеклянных или кварцевых волокон, синтактики (сферопластики) на основе полых стеклянных или полимерных микросфер или различные керамики. Каждый из указанных типов материалов обладает рядом преимуществ и недостатков перед друг другом. Керамики обладают
самой высокой термостойкостью, но имеют достаточно низкую радиопрозрачность, высокую плотность и сложны в изготовлении, поэтому геометрия изделий ограничена и высока стоимость. Стеклопластики отличаются высокими упруго-прочностными и технологичными характеристиками, умеренными значениями удельного веса, но имеют сравнительно высокие диэлектрические показатели, даже при использовании дорогих кварцевых волокон.
Минимальными диэлектрическими свойствами обладают синтактики, которые также имеют наименьшую плотность, высокотехнологичны (можно изготовить детали по геометрии любой сложности), изотропны и, хотя имеют наименьшие упруго-прочностные характеристики из рассмотренных материалов, во многих случаях достаточно прочны для изготовления деталей приемопередающих устройств КА и могут обеспечить защиту чувствительных элементов от ФКП.
Свойства полых микросфер, производимых на территории РФ, соответствуют лучшим мировым аналогам, в то время как отечественные связующие, применяемые для изготовления синтактических материалов, не в полной мере удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к соответствующим приемопередающим устройствам КА.
Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
Сводные характеристики цианатэфирных синтактиков и отверждённого связующего
Показатель Цианатэфирные синтактики на основе НИИКАМ-РС
стеклянных сфер полимерных сфер
Плотность, г/см3 0,6-0,7 0,2-0,5 1,2
Теплопроводность, Вт/(м*К) 0,13-0,15 0,07-0,10 0,21
Теплоемкость, Дж/(г*К) 1,1-1,5 - -
е (10 ГГц) 1,5-1,7 1,1-1,4 2,2
Оизгиб, МПа 40-50 - 110
Еизгиб, ГПа 2,6-3,3 - 3,4
^сжатие, МПа 70-110 - 175
Есжатие5 ГПа 2,7-3,6 - 4,5-5
Эпоксидные связующие имеют относительно низкую радиопрозрачность и высокие показатели газовыделения, а кремнийорганические связующие нестойки к ФКП и недостаточно прочны.
Ранее нами были показаны преимущества использования цианатэфирных связующих в углепластико-вых конструкциях КА [1-3]. Это в первую очередь связано с особенностями химического строения поли-циануратной матрицы - образующейся уникальной квазирегулярной структуры при отверждении циана-тэфирного связующего. Применение цианатэфирных связующих в производстве синтактиков, также позволяет создавать материалы с лучшими эксплуатационными характеристиками - минимальными значениями диэлектрической постоянной е и тангенса угла диэлектрических потерь 5 в диапазоне частот порядка десятков ГГц, минимальными газовыделением и вла-гопоглощением, лучшими упруго-прочностными свойствами и повышенной стойкостью к ФКП. Тенденция к использованию цианатэфирных производных при изготовлении радиопрозрачных деталей в аэрокосмической технике подтверждается использованием данных материалов при изготовлении обтекателей антенн марсохода «Curiosity» [4], а также обтекателей антенн малозаметных многоцелевых истребителей пятого поколения F-22 Raptor и F-35 Lighting II разработки Lockheed Martin (США) [5; 6].
В настоящий момент нами разработаны синтакт-ные материалы на основе цианатэфирного связующего и полых микросфер (керамической и полимерной природы), по совокупности свойств, превосходящие существующие отечественные аналоги, сводные характеристики указанных материалов в сравнении со связующим НИИКАМ-РС приведены в таблице.
Как видно из таблицы, синтактные материалы на основе цианатэфирного связующего, разработанные в ООО «НИИКАМ» могут быть изготовлены в широком диапазоне плотностей от 0,2 до 0,7 г/см3. При этом низкие диэлектрические константы данных материалов (е —1,1-1,7 в диапазоне частот порядка десятков ГГц) позволяют изготавливать на их основе радиопрозрачные элементы приёмопередающих устройств КА, например, обтекатели антенн, защищая чувствительные элементы от воздействия ФКП, в том числе от перегрева ввиду пониженных показателей теплопроводности синтактиков.
Библиографические ссылки
1. Вихров И. А., Аристов В. Ф., Гуров Д. А. Ада-мантан-олигоциануратные связующие для размеро-стабильных углепластиковых конструкций космиче-
ских аппаратов // Решетневские чтения 2015 : тез. докл. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015.
2. Цианат-эфирные связующие в аэрокосмической отрасли. Каталитические свойства органометалличе-ских комплексов и солей диазония с комплексными анионами в отверждении цианат-эфирных связующих / В. Ф. Аристов и др. // Вестник СибГАУ. 2013. № 2 (48). С. 159-165.
3. Вихров И. А., Аристов В. Ф. Цианатэфирное связующее для размеростабильных углепластиковых конструкций спутниковых систем и орбитальных комплексов нового поколения // VI Международная конференция «ФНМ» : сб. материалов. (3-7 октября 2016, г. Суздаль). Суздаль, 2016.
4. High-Performance Composites, May 2014 / Donna Dawson // The Curiosity Mars rover: Descent stage composites.
5. URL: http://www.cytec.com/sites/default/files/ datasheets/CYCOM %205575-2.pdf.
6. URL: http://www.compositesworld.com/articles/ are-high-temp-thermosets-ready-to-go-commercial; Thermosets: Structure, Properties and Applications edited by Qipeng Guo, 2012.
References
1. Vikhrov I. A., Aristov V. F., Gurov D. A. Adaman-tane oligocyanurate resins for dimensionally stable carbon composite structures used in spacecraft // Materials XIX Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading", 2015.
2. Cyanate ester coupling agents in aerospace industry. Catalytic properties of organometallic complexes and diazonium salts with complex anions in the curing reaction of cyanate coupling agents / Aristov V. F., Khalimanovich V. I., Mironovich V. V., Islentyeva T. A., Gurov D. A. // Vestnik SibSAU. 2013. № 2 (48). P. 159-165. (In Russ.)
3. Vikhrov I. A., Aristov V. F. Cyanate ester binders for the dimensionally stable carbon composite structures of satellite systems and orbital complexes of new generation // Materials VI Intern. Conf. "Functional nanomateri-als and high-purity substances", 2016.
4. High-Performance Composites, May 2014 / Donna Dawson // The Curiosity Mars rover: Descent stage composites.
5. URL: http://www.cytec.com/sites/default/files/ datasheets/CYCOM %205575-2.pdf.
6. URL: http://www.compositesworld.com/articles/ are-high-temp-thermosets-ready-to-go-commercial; Thermosets: Structure, Properties and Applications edited by Qipeng Guo, 2012.
© Аристов В. Ф., Вихров И. А., 2017
