ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2013 года по МПК B64G1/58 

Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники, в частности, к терморегулирующим материалам, предназначенным для использования в системах пассивного терморегулирования космических аппаратов, 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, жесткость.

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, низкая радиационная стойкость.

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 и загрязняемость наружного слоя при изготовлении и транспортировке космических аппаратов. Пылевыделение.

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.

Известна экранно-вакуумная теплоизоляция по а.с. СССР 1839976 (МПК: B64G, 1/58), содержащая наружный слой стеклоткани или аримидной ткани, дополнительный промежуточный пакет из пяти экранов, изготовленных из металлизированной (первые три слоя с внутренней стороны) полиимидной пленки (четвертый и пятый слои двусторонне металлизированны), промежуточные слои металлизированной полиэтилентерефталатной пленки (повернутые металлизированной отражающей поверхностью внутрь), отделенные друг от друга низкотеплопроводными сепараторами из стекловуали, и внутренний облицовочный слой аримидной ткани.

Недостатками этого решения являются парниковый эффект, значительное пылеворсоотделение облицовочных материалов, негативно влияющее на работу оптического оборудования космических аппаратов. Кроме того, дополнительные промежуточные слои утяжеляют материал, приводя к дополнительным расходам при выводе космических аппаратов на орбиту и снижая долю полезного груза космических аппаратов.

Известна также система теплозащиты спускаемого космического аппарата при движении его в атмосфере по патенту США №6497390 (МПК: B64G, 1/58). Эта система включает гибкий теплоизоляционный мат, пакет из одного или нескольких слоев гибкого тканевого материала, прикрепляемый к мату с помощью клея, кнопок или пуговиц, и размещаемое на наружной поверхности пакета облицовочное покрытие из неорганического материала, обеспечивающее газонепроницаемость теплозащиты.

Недостатки данного материала заключаются в том, что он не гибок, тяжелый, не радиацонностоек.

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 мкм, 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, 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 мкм. R_s (R_s=1-A_s).

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.

Предлагаемое покрытие по патенту РФ №2331553 (МПК: B64G, 1/58), включает в себя нижний слой в виде анодноокисного покрытия алюминиевого сплава и верхний слой. В качестве верхнего слоя использовано лакокрасочное терморегулирующее покрытие, содержащее акрилатный гольмийсодержащий лак АКГ-1,2 (42-38 мас.%) и цирконий (IV) оксид модифицированный ос.ч. 7-4 (58-62 мас.%).

Покрытие имеет низкие значения коэффициента поглощения солнечной радиации (A_s≤0,10-0,11) и высокие значения коэффициента излучения 0,92-0,94).

Известна система тепловой защиты спускаемого космического аппарата по патенту РФ №2383476 (МПК: B64G, 1/58), содержащая последовательно размещенные гибкий теплоизоляционный мат и теплозащитный пакет, включающий несколько слоев термостойкого тканевого материала, отличающаяся тем, что гибкий теплоизоляционный мат выполнен многослойным и помещен в чехол из температуростойкой ткани, каждый слой термостойкого тканевого материала теплозащитного пакета пропитан и покрыт сублимирующим веществом, при этом толщина покрытия разных слоев неодинакова и увеличивается по мере удаления слоя от теплоизоляционного мата, все слои гибкого теплоизоляционного мата, чехол, в который он помещен, и все слои теплозащитного пакета соединены друг с другом по их торцевым кромкам, при этом все указанные слои и чехол установлены с возможностью их свободного относительного перемещения.

Недостатками данного решения являются его большой вес, отсутствие радиационной стойкости, газопылевыделение.

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.

Известна экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием по патенту РФ №2397926 (МПК: B64G, 1/58) (прототип), 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 (экспериментально установлено путем взвешивания - 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.

Задачей изобретения является обеспечение отсутствия коробления рабочей поверхности и, как следствие, стабильности оптических характеристик, увеличение прочности на надрыв, обеспечение отсутствия пылегазовыделения при сохранении требуемых характеристик по радиационной стойкости и термостойкости, устойчивости к воздействию атомарного кислорода и эластичности, а также уменьшение массы терморегулирующего материала.

Задача решается тем, что в терморегулирующем материале, содержащем внешний слой в виде металлизированной с внутренней стороны пленки, армирующий слой из аримидной ткани, между металлизированным с внутренней стороны внешним и армирующим слоями методом сварки введен термопластичный слой на основе полиимидов или полиэфиримидов или полисульфонов, а металлизированная полиимидная пленка внешнего слоя взята толщиной ≤12 мкм, причем аримидная ткань имеет поверхностную плотность <25 г/м.²

На Фиг. изображена схема предлагаемого материала в разрезе, где:

1 - внешний металлизированной с внутренней стороны слой;

2 - армирующий слой из аримидной ткани;

3 - термопластичный слой;

Терморегулирующий материал, выполнен из трех слоев: внешнего слой в виде металлизированной с внутренней стороны пленки 1, армирующего слоя из аримидной ткани 2, между металлизированным с внутренней стороны внешним 1 и армирующим слоями 2 методом сварки введен термопластичный слой 3 на основе полиимидов или полиэфиримидов или полисульфонов, а металлизированная полиимидная пленка внешнего слоя взята толщиной ≤12 мкм, причем аримидная ткань имеет поверхностную плотность <25 г/м.²

Приведем пример №1 конкретной реализации предложенного решения.

На полимерную полиимидную пленку толщиной <12 мкм, например, ПМ-ЭУ, наносят с внутренней стороны алюминий толщиной 0,07 мкм, например, методом вакуумного резистивного напыления, образуя внешний металлизированный слой 1.

Из ариимидной нити линейной плотностью 6 текс. вырабатывается ткань с поверхностной плотностью 20 г/м², из которой формируется армирующий слой 2.

Термопластичный слой 3 из полиимида вводят между металлизированным 1 (со стороны металла) и армирующим 2 слоями и проводят сварку, например, тепловым методом, при этом температура плавления термопластичного слоя 3 значительно ниже температуры плавления металлизированного 1 и армирующего 2 слоев, с целью исключения возможного коробления рабочей поверхности материала.

Пример №2 реализации предложенного решения.

На полиимидную пленку толщиной ≤12 мкм с внутренней стороны наносят алюминий толщиной 0,05 мкм методом магнетронного напыления, образуя внешний слой 1.

Из арамидной нити линейной плотностью 5,4 текс вырабатывается ткань с поверхностной плотностью 17 г/м², из которой формируется армирующий слой 2.

Термопластичный слой из полисульфона вводят как и в примере 1.

Используя для сварки термопластичный слой 3 в виде пленки из термопластичных полимеров, можно регулировать температуру сварки таким образом, чтобы она была ниже температуры термической усадки металлизированного внешнего слоя 1 и нитей ткани армирующего слоя 2, и, как следствие, обеспечить ровную поверхность материала при сварке, сохранив его оптические характеристики.

Например, при выборе термопластичного слоя 3 из термопластичного полиимида типа ПИ-ПК-200 температура сварки составляет 250°С, при этом термическая усадка металлизированной полиимидной пленки внешнего слоя 1 и аримидной ткани слоя 2 практически отсутствует.

При выборе термопластичного слоя из полисульфона ПСК-1 температура сварки составит 210°С, что не приведет к усадке аримидной ткани слоя 2 и металлизированной полиимидной пленки слоя 1.

Благодаря выполнению внешнего слоя 2 из металлизированной пленки толщиной ≤12 мкм обеспечивается гибкость, эластичность материала, снижение его удельного веса в два раза (до 60 г/м²) по сравнению с прототипом и возможность изготовления из него сплошных экранов большой площади, при сохранении высокой термо- и радиационной стойкости (сохранение оптических характеристик при нагреве до 573°К и после облучения с поглощенной дозой более 3×10*рад, в то время как для клеевых композиций - не выше 2×10*рад).

Благодаря использованию аримидной ткани с поверхностной плотностью <25 г/м², достигается прочность на надрыв более 2,5 кг/см², что оптимально, т.к. при большей плотности снижается прочность материала, а при меньшей - увеличивается масса до значений более 60 г/м².

Благодаря тому, что материал состоит из полиимидных композиций, из него не наблюдаются пыле- и газовыделения в отличие от клеевых композиций в прототипе.

Однородность материала также обеспечивает сохранность и высокие значения механических характеристик в широком диапазоне температур от -150°С до +250°С.

Благодаря сочетанию тонкой металлизированной пленки толщиной ≤12 мкм и аримидной ткани с поверхностной плотностью <25 г/м.² достигается высокая эластичность материала по сравнению с прототипом, что позволяет наносить материал на конструктивные узлы КО сложной геометрической формы с сохранением эффективности материала.

Изобретение относится к пассивной теплозащите, в частности, приборов и оборудования космических аппаратов. Терморегулирующий материал содержит внешний и армирующий слои, между которыми введен термопластичный слой. Внешний слой выполнен в виде металлизированной с внутренней стороны полиимидной пленки толщиной ≤12 мкм. Армирующий слой образован из аримидной ткани с поверхностной плотностью <25 г/м². Термопластичный слой сформирован на основе полиимидов или полиэфиримидов, или полисульфонов и введен между внешним и армирующим слоями методом сварки. Технический результат изобретения состоит в отсутствии коробления рабочей поверхности и вследствие этого - стабильности оптических характеристик, высокой прочности на надрыв, отсутствии пылегазовыделения, устойчивости к воздействию атомарного кислорода, эластичности, а также в уменьшении массы терморегулирующего материала. При этом сохраняются требуемые характеристики но его радиационной и термостойкости. 1 ил.

Терморегулирующий материал, содержащий внешний слой в виде металлизированной с внутренней стороны пленки, армирующий слой из аримидной ткани, отличающийся тем, что между металлизированным с внутренней стороны внешним и армирующим слоями методом сварки введен термопластичный слой на основе полиимидов или полиэфиримидов или полисульфонов, а металлизированная полиимидная пленка внешнего слоя взята толщиной ≤12 мкм, причем аримидная ткань имеет поверхностную плотность <25 г/м².