ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2013 года по МПК B64G1/58 B32B5/24 D02G3/12 

Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники, в частности, к терморегулирующим материалам, предназначенным для использования в системах пассивного терморегулирования космических объектов, например, для тепловой защиты приборов и оборудования космических аппаратов.

Кроме того, предлагаемое техническое решение может быть использовано в качестве теплозащитного и терморегулирующего материала в герметичном отвакуумированном объеме.

На космические объекты (КО), летающие как на околоземных, так и на геостационарных орбитах воздействуют ряд негативных факторов, мешающих нормальному функционированию бортовых систем и аппаратуры, а также безопасности работы экипажа, что выдвигает целый ряд требований к терморегулирующим материалам:

- электромагнитное излучение (ЭМИ) Солнца требует обеспечения радиационной стойкости материалов защиты;

- на поверхность космических объектов воздействует УФ-излучение, а также горячие газовые потоки работающих ракетных двигателей, отрицательно действующих на корпус КО, аппаратуру и экипаж, в этой связи необходимо поддержание температуры их штатного функционирования;

- на внешнюю поверхность корпуса КО воздействует также корпускулярное излучение - потоки электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ), под их действием на диэлектрических поверхностях КА скапливается неоднородный электростатический заряд, при этом между областями поверхности с разными электрическими потенциалами происходят разряды, вызывающие сбои бортовой электронной аппаратуры и способствующие ухудшению характеристик оптических поверхностей, этот фактор выдвигает свои требования к электропроводности материала защиты;

- внешняя поверхность корпуса КО подвержена негативному воздействию атомарного кислорода, приводящему к деструктивным изменениям поверхности КО, что требует наличия в таком материале защитного слоя;

- терморегулирующий материал должен хорошо работать на «надрыв», т.е. обладать необходимой прочностью;

- еще одним важным свойством должен обладать материал защиты КО - он должен быть легким, т.к. любое увеличение массы уменьшает вес доставляемого на орбиту полезного груза.

- важным требованием к защитному материалу является его гибкость, податливость, т.к. корпус КО имеет сложную конфигурацию;

- терморегулирующее покрытие, используемое в космическом пространстве в условиях вакуума не должно «пылить» и обладать газовыделением, что недопустимо для оптических бортовых устройств.

Известна слоистая оболочка для обеспечения тепловой и электростатической защиты по патенту России №2087392 (МПК: B64G, 1/58), состоящая из электропроводящего слоя полупроводника (например, германия) толщиной 5^…25·10^-8 м, терморегулирующего слоя, подложки полиимидной пленки, промежуточного слоя полиамидной сетки (которая может быть пропитана эпоксидной смолой и вулканизирована), прикрепленной к подложке, и термоотражающего покрытия из полимерного пленочного материала на основе кремния или поливинилфторида.

Недостатками этого покрытия являются легкая повреждаемость тонкого поверхностного слоя при монтаже, недостаточная отражающая способность, а также жесткость, которая не позволяет его применять для КО сложной конфигурации.

Известно многослойное покрытие для работы при криогенных температурах и/или в условиях аэродинамического нагрева по патенту РФ №2298480 (МПК: B64G, 1/58), состоящее из металлической оболочки, антикоррозионного слоя, амортизационного слоя, теплоизоляционного слоя в виде пенопласта, который закреплен сетью с помощью клея, и антистатического покрытия.

Основными недостатками этого покрытия являются очень большой вес и недостаточно высокие теплоизоляционные свойства.

Известен многослойный материал для термического контроля по патенту Великобритании №2062189 (МПК: B64G, 1/58), состоящий из внутреннего и внешнего термически изолирующих слоев, которые могут быть изготовлены гибкими из пластика или жесткими из стекла и промежуточного электропроводящего слоя алюминия или серебра. С внутренней стороны может находиться второй электропроводящий слой из алюминия или серебра.

Недостатки этого материала - низкая прочность, повреждаемость, неудовлетворительные оптические характеристики.

Известен многослойный материал, состоящий из металлических (не менее двух) и полимерных слоев, содержащий подслой из двух металлических слоев и полимера, усиленного волокнами, описанный в международной заявке (РСТ) WO 2007/061304 (МПК: B64G, 1/58).

Недостатками этого материала являются очень большой вес и недостаточно высокие термоизоляционные свойства из-за плотного контакта слоев металла и полимера, неудовлетворительные оптические характеристики: высокие отражающие свойства, но низкая степень черноты.

Известна многослойная изоляция по патенту США №7252890 (МПК: B64G, 1/58), состоящая из слоев металлизированного алюминием или серебром полимера (полиимида или полиэфира), между которыми расположены слои стекловолокна или нейлона, покрытая с верхней стороны ИК-излучающим материалом (кварц, стекло, нитрид или оксинитрид кремния), затем фотокаталитическим слоем оксида металла и с наружной стороны электропроводящим слоем оксида индия или олова.

Недостатками этого материала являются недостаточная прочность на надрыв при сшивке теплозащитных матов и легкая повреждаемость на истирание, загрязняемость наружного слоя при изготовлении и транспортировке космических аппаратов.

Известно многослойное покрытие для матов экранно-вакуумной теплоизоляции космических аппаратов по патенту России №2269146 (МПК: B64G, 1/58), состоящее из подложки с прозрачным электропроводящим многослойным (2 и более слоев) покрытием на внешней поверхности и отражающим покрытием в виде пленки металла на тыльной поверхности.

Недостатки этого материала - очень низкая механическая прочность на надрыв, повреждаемость, загрязняемость.

Известно многослойное покрытие по патенту Франции №2681078 (МПК: B64G, 1/58), содержащее полимерную подложку, на которую нанесен адгезионный слой с последующим нанесением металлического оптического слоя.

Основным недостатком данного аналога является высокая величина отношения коэффициента поглощения солнечного излучения получаемого покрытия к коэффициенту излучения (степени черноты) As/^∈=2 при требуемом отношении - менее 1,0 для терморегулирующих покрытий класса "солнечный отражатель".

Известно многослойное терморегулирующее покрытие класса «солнечный отражатель» по патенту РФ №2168189 (МПК: B64G, 1/58), содержащее полимерную подложку с нанесенным на нее оптическим слоем с нитевидными или волокнистыми кристаллами оксида цинка с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 µкм, при этом полимерная подложка выполнена эластичной.

Основными недостатками данного аналога являются малая стабильность оптических характеристик (обусловленная применением органического связующего) и малая электропроводность. При этом покрытие накапливает электростатический заряд под действием заряженных частиц, что приводит к возникновению электрических разрядов, вызывающих сбои в бортовой аппаратуре КО.

Известно покрытие по патенту США №5400986 (МПК: B64G, 1/58), включающее тонкий диэлектрический лист, внешняя поверхность которого покрыта прозрачным электропроводным слоем, тыльная поверхность покрыта отражающим слоем, а торцевая поверхность листа покрыта электропроводным покрытием так, что по крайней мере частично перекрывает отражающий слой и электрически связан с внешним прозрачным электропроводным слоем, слой клеевого материала, преимущественно постоянной толщины, причем внешняя поверхность клеевого слоя больше, чем тыльная поверхность диэлектрического листа; клеевой слой фиксируется тыльной стороной к поверхности корпуса КО, а внешней поверхностью фиксирует тыльную сторону диэлектрического листа, при этом клеевой слой является электропроводным и электрически соединен с указанным покрытием торцов, для обеспечения пути протекания тока между внешней поверхностью указанного листа и внешней поверхностью корпуса КА через указанное покрытие торцов.

Недостатками этого решения являются хрупкость, жесткость, механическая непрочность на истирание, большой вес.

Известно терморегулирующее устройство по патенту США №4618218 (МПК: B64G, 1/58), представляющее собой трехслойное покрытие, внешний слой которого выполнен из прозрачного (для заданных длин волн) электропроводного материала, например Ge; промежуточный - из твердого электролита с преимущественно ионной проводимостью, а внутренний - из серебра. В зависимости от разности потенциалов между внешним и внутренним слоями покрытие может поглощать или отражать излучение определенного диапазона длин волн.

Основными недостатками данного аналога являются: необходимость в источнике энергии и управляющей схеме; невозможность совмещения высокой излучательной способности и высокой отражательной способности в интервале длин волн 0,3-2,4 µкм. Rs (Rs=1-As), механическая непрочность на истирание.

Существует терморегулирующее покрытие по патенту США №5296285 (МПК: B64G, 1/58), представляющее собой двухслойное покрытие, образованное путем создания первого слоя анодным окислением алюминиевой основы и нанесением второго верхнего слоя, состоящего из силикатного покрытия.

Относительная хрупкость, недостаточная эластичность, трудоемкость нанесения - основные недостатки этого покрытия, механическая непрочность на истирание.

Существует терморегулирующее покрытие по патенту РФ №2356074 (МПК: B64G, 1/58), прикрепленное к внешней поверхности корпуса космического аппарата с помощью электропроводного клеевого слоя, содержащее подложку, выполненную в виде отдельных элементов из оптически прозрачного радиационно-стойкого материала, тыльная поверхность которой покрыта отражающим и защитным слоем, а на внешней поверхности расположено прозрачное электропроводное покрытие, покрывающее торцевые поверхности подложки и контактирующее с защитным слоем, при этом отдельные элементы подложки выполнены толщиной не менее 0,08 мм, электропроводное покрытие выполнено с электросопротивлением не менее 2 и не более 1·10⁵ кОм/м², а поверх защитного слоя нанесен адгезивный слой.

Недостатки - хрупкость, неэластичность, большой вес, механическая непрочность на истирание.

Известна экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием по патенту РФ №2397926 (МПК: B64G, 1/58), состоящая из полимерной подложки, электропроводного слоя с износостойким слоем на внешней поверхности и отражающего слоя на внутренней поверхности. Изоляция содержит временный защитный слой на внешней поверхности и укрепляющую полимерную сетку на внутренней поверхности.

Недостатками этой теплоизоляции являются большая масса внешнего комбинированного покрытия (140 г/м²) недостаточная радиационная стойкость из-за использования клеевых композиций, недостаточная надежность вследствие недостаточной прочности приклеивания полимерной пленки, значительное газовыделение из разнородных материалов теплоизоляции, а также сильное коробление рабочей поверхности из-за неравномерной тепловой усадки разнородных материалов теплоизоляции.

Известна экранно-вакуумная теплоизоляция по а.с. 1840181 (МПК: B64G, 9/00), содержащая наружный и внутренний облицовочные слои и расположенные между ними экраны с односторонней металлизированной поверхностью, отделенные друг от друга сепараторами из низкотеплопроводного материала, в котором экраны ориентированы металлизированной поверхностью к внутреннему облицовочному слою.

Недостатком этого решения является низкая стойкость к электризации наружного облицовочного слоя, что приводит к возникновению электростатических разрядов на поверхности этого слоя.

В качестве прототипа заявленному решению принят материал по патенту РФ №2344972 (МПК: B64G, 1/58) в котором, наружный облицовочный слой выполнен из диэлектрического тканого материала с плотностью плетения 0,34-0,7 г/см² с вплетенными в продольном и поперечном направлениях электропроводящими нитями.

Недостатками прототипа являются большая масса, невозможность получить эффективную теплоизоляцию для приборов и агрегатов сложной конфигурации, низкая стойкость к электризации наружного облицовочного слоя, что приводит к возникновению электростатических разрядов на поверхности этого слоя, механическая непрочность на истирание.

Задачей изобретения является снижение массы материала, исключение электростатического разряда как в условиях эксплуатации, так и при проведении монтажно-сборочных работ, а также сохранение поверхностной проводимости вследствие отсутствия влияния на эти характеристики истирания и других механических воздействий в процессе проведения монтажно-сборочных работ, при одновременном сохранении оптических характеристик материала.

Эта задача решается тем, что в терморегулирующий материал, содержащий наружный облицовочный слой из тканого материала с вплетенными в продольном и поперечном направлениях электропроводящими нитями, в него введена подложка из металлизированной, по крайней мере, с одной - внутренней стороны, полиимидной пленки, при этом наружный облицовочный слой выполнен с вплетением электропроводящих нитей, полученных путем скрутки металлической проволоки толщиной 30-50 µкм с полимерной нитью линейной плотности 1.5-11 текс и переплетением с плотностью нитей 6-12/ см² по утку и основе, причем между подложкой и облицовочным слоем введен термопластичный слой на основе полиимидов или полиэфиримидов или полиэфиров или полисульфонов.

На чертеже изображена конструкция предложенного материала, где:

1 - наружный облицовочный слой;

2 - комбинированные электропроводящие нити;

3 - полимерные нити;

4 - термопластичный слой;

5 - металлизированная подложка.

Предложенный материал состоит из наружного облицовочного слоя 1 выполненного из тканого материала по утку и основе из полимерных нитей 3 и комбинированных нитей электропроводящих нитей 2, полученных путем скрутки металлической проволоки толщиной 30-50 µкм с полимерной нитью линейной плотности 1.5-11 текс и переплетением с плотностью нитей 6-12/ см² по утку и основе, кроме того, в материал введена металлизированная подложка 4, причем между подложкой 5 и облицовочным слоем 1 введен термопластичный слой 4 на основе полиимидов или полиэфиримидов или полиэфиров или полисульфонов, при этом подложка 5 может быть металлизирована как только с внутренней стороны, так и с обеих сторон.

Приведем примеры исполнения предложенного решения.

Пример 1

Для наружного облицовочного слоя вырабатывается ткань из двух типов нити: аримидной с линейной плотностью 6 текс и комбинированной крученой, состоящей из аримидной нити плотностью 6 текс и медной посеребренной проволоки толщиной 50 µкм.

При этом комбинированная нить располагается с шагом 8-10 мм по утку и основе, а плотность ткани составляет 12÷14 г/м², что существенно меньше, чем в прототипе (340 г/м²), а значит существенно меньше в массе.

Ткань методом термической сварки приваривается с помощью пленочного термопластичного полиимида, например ПИ-ПК-200, толщиной 8-10 мм к металлизированной подложке из полиимидной пленки толщиной 12,5 µкм. С двухсторонним покрытием алюминием толщиной 500-700 А° и коэффициентом черноты ≤0,06.

Общая масса материала при этом составит всего 45÷55 г/м², а масса прототипа равна 350-700 г/м².

Для защиты от атомарного кислорода на наружный облицовочный слой может быть нанесен слой окиси индия или окиси кремния, например, вакуумным магнетронным способом.

Пример 2

Наружный облицовочный слой состоит из ткани, например, выработанной из монофиламентной полиэфирной нити линейной плотностью 1,6 текс и комбинированной крученой нити из полиэфирной нити плотностью 1,6 текс и кобальтовой проволоки толщиной 30 µкм, при этом шаг комбинированной нити по утку и основе - 8-10 µкм, а плотность ткани с ажурным плетением 8-10 г/м².

Ткань приваривается к полиэтиимидной металлизированной пленке, толщина пленки 12,5 µкм.

В качестве термопластичного слоя для сварки используется пленка из полиэфирной смолы ТФ-55 или ТФ-60 толщиной 8-12 мкм.

Пленка может быть также сформирована на поверхности металлизированной ПЭТ-пленки из раствора смолы в метиленхлориде.

Суммарная масса материала составит 35-40 г/м², что существенно меньше, чем у прототипа.

В предлагаемом материале исключена возможность появления электростатических разрядов, т.к. положение нитей в облицовочном слое фиксируется при сварке термопластичного слоя и, тем самым, исключается локальные пробои электростатических разрядов.

Предлагаемый материал существенно лучше работает на истирание, т.к. проволока значительно прочнее напыления металла (как у прототипа).

Оптические характеристики изобретения также лучше, чем у прототипа, за счет использования полимерной пленки малой толщины и разреженности ткани облицовочного слоя вследствие переплетения с плотностью нитей 6-12/ см² по утку и основе. В видимом диапазоне коэффициент поглощения A_s=0,35-0,45, а степень черноты в ИК-диапазоне ε=0,7-0,85, что уменьшает температуру поверхности объекта, например, КО.

Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники, в частности к терморегулирующим материалам, предназначенным для использования в системах пассивного терморегулирования космических объектов. Терморегулирующий материал содержит наружный облицовочный слой из тканого материала с вплетенными в продольном и поперечном направлениях электропроводящими нитями. В терморегулирующий материал введена подложка из металлизированной с одной внутренней стороны полиимидной пленки. Наружный облицовочный слой выполнен с вплетением электропроводящих нитей, полученных путем скрутки металлической проволоки толщиной 30-50 µкм с полимерной нитью линейной плотности 1,5-11 текс и переплетением с плотностью нитей 6-12 г/см² по утку и основе. Между подложкой и облицовочным слоем введен термопластичный слой на основе полиимидов, или полиэфиримидов, или полиэфиров, или полисульфонов. Достигается снижение массы терморегулирующего материала. 1 ил.

Терморегулирующий материал, содержащий наружный облицовочный слой из тканого материала с вплетенными в продольном и поперечном направлениях электропроводящими нитями, отличающийся тем, что в него введена подложка из металлизированной, по крайней мере, с одной - внутренней стороны полиимидной пленки, при этом наружный облицовочный слой выполнен с вплетением электропроводящих нитей, полученных путем скрутки металлической проволоки толщиной 30-50 мкм с полимерной нитью линейной плотности 1,5-11 текс и переплетением с плотностью нитей 6-12/ см² по утку и основе, причем между подложкой и облицовочным слоем введен термопластичный слой на основе полиимидов или полиэфиримидов, или полиэфиров, или полисульфонов.