Оптические свойства терморегулирующих покрытий с добавками наночастиц

Размещено на http://www.allbest.ru/

Объединенный Институт высоких температур Российской академии наук

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ С ДОБАВКАМИ НАНОЧАСТИЦ

С.Н. Сковородько, В.М. Просвириков,

В.Я. Менделеев, А.В. Курилович

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований влияния добавок наноструктур графита на коэффициент отражения и поляризационные характеристики терморегулирующих покрытий (ТРП) класса «истинные поглотители». Показано, что добавление наноструктур в углеродную матрицу повышает эффективность ТРП типа «истинный поглотитель».

1. Введение

Развитие космонавтики тормозится высокой стоимостью доставки полезной нагрузки на орбиту функционирования КА. Массовое внедрение наноматериалов и нанотехнологий при производстве КТ позволит на порядки снизить такие затраты и повысить эффективность систем запуска. Многие из возникающих при этом проблем могут быть решены при использовании наноструктурных материалов и устройств.

Область возможных применений нанотехнологии в космической технике очень широка, наиболее перспективными представляются следующие направления:

- ТРП и радиационно-стойких покрытий на основе наноструктурных материалов;

- создание материалов в 10 раз более прочных для применения во всех видах ракетно-космической техники;

- увеличение эффективности солнечных батарей не менее чем в 2 раза.

Определяющими характеристиками ТРП, являются коэффициент поглощения солнечного излучения As и коэффициент теплового излучения (степень черноты) .

С точки зрения обеспечения теплового режима ТРП подразделяются на следующие классы: "солнечный отражатель" (As 0, 1) /СО/; "истинный отражатель" (As 0, 0 ) /ИО/; "солнечный поглотитель" (As 1, 0 ) /СП/; "истинный поглотитель" (As 1, 1 ) /ИП/.

Так как далее рассматриваются оптические свойства ТРП класса «ИП», то необходимо отметить следующие требования предъявляемые к покрытиям данного класса:

- высокие значения коэффициентов As и 0,95;

- удельное объемное электрическое сопротивление, 10⁵ Ом.м;

- «глубокоматовость», отсутствие блеска, т.е. низкий зеркальный коэффициент отражения (R_.=0,2%) при общем R_., равным 2%. Измерение R_. такого уровня при современном уровне измерений интегрального и спектрального коэффициентов отражения R_s и R и индикатриссы отраженного излучения покрытий представляют самостоятельную проблему.

Таким образом, основными вопросами, которые надо решить при разработке ТРП класса «истинные поглотители» являются снижение уровня газовыделения и обеспечение «глубокоматовости», т.е. снижение зеркального коэффициента отражения в области 0,2 - 2,5 мкм. Также необходимо обеспечить стабильность коэффициентов As и при воздействии УФ излучения.

Одним из решений является применение в ТРП класса ИП наночастиц, в том числе углеродных. Свойства наночастиц сильно изменяются по сравнению с макрочастицами того же вещества, как правило, уже при размерах Rc ? 10-100 нм. Для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических) этот критический размер может быть разным, как и характер их изменений (монотонный - немонотонный) при R < Rc.

Среди причин размерных эффектов в наномасштабных объектах есть как вполне очевидные, так и заслуживающие дополнительных комментариев. Например, ясно, что доля атомов N_S, находящихся в тонком приповерхностном слое (~1 нм), растет с уменьшением размера частицы вещества R, поскольку N_S ~ S/V ~ R²/R³ ~ 1/R (здесь S - поверхность частицы, V - ее объем). Также общеизвестно, что поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от “объемных”, поскольку они связаны с соседями по-иному, нежели в объеме. В результате на поверхности может произойти атомная реконструкция и возникнет другой порядок расположения атомов. Для атомов, оказавшихся на краях моноатомных террас, уступов и впадин на них, где координационные числа значительно ниже, чем в объеме, возникают совершенно особые условия. Взаимодействие электронов со свободной поверхностью порождает специфические приповерхностные состояния (уровни Тамма). Все это вместе взятое заставляет рассматривать приповерхностный слой как некое новое состояние вещества, что имеет принципиальное значение для ТРП.

ТРП типа СО с добавками наносчастиц подробно анализируются в работах [1- 4]. В данной работе рассматривается влияние углеродных наночастиц на оптические свойства покрытий типа ИП на основе углеродной матрицы [5, 6].

2. Методика получения наноуглеродных структур

терморегулирующий наноструктура графит покрытие

Для получения различных наноструктур графита (нанострубки, фуллерены, графены и др.) была создана установка, подробно описанная в [5, 6], в состав которой входят:

- вакуумная камера, с системой диффузионной откачки, обеспечивающей остаточное давление 10^-4 Па, и газовая магистраль для заполнения камеры инертными газами;

- источник питания постоянным током мощностью 120 кВт;

- система измерения электрических параметров (ток, напряжение), температуры поверхности (оптический пирометр ЭОП-66 и фотоэлектрический пирометр фирмы IMPAC модель IS 140), записи спектра излучения поверхности.

На установке проводятся исследования фазовых превращений (образование наноструктур) на поверхности графита при джоулевом нагреве в атмосфере аргона в диапазоне температур 2.5 - 3.5 кК, а также при воздействии дугового разряда.

3. Образцы компактированных материалов, составляющих основу ТРП

Полученные наноструктуры графита добавлялись в исходную матрицу на основе сажи двух видов (см. табл. 1) - образцы 22, 23. Далее формировались образцы ТРП компактированием в прессформах при давлении ~160 атм и проводились измерения оптических характеристик образцов.

В Таблице 1 приведены состав и формула не только графитовых образцов, но и целого ряда образцов сравнения из наноматериалов, которые также исследовались в оптическом диапазоне.

Таблица 1

Исходные данные на перспективные материалы ТРП на основе наночастиц

Ниже представлены результаты исследования оптических и поляризационных характеристик указанных веществ.

4. Установка для исследования оптических характеристик наноматериалов и ТРП, полученные результаты

Измерения оптических характеристик материалов проводились при комнатной температуре на спектрофотометре U-3400 фирмы Хитачи (0.19 - 2.5 мкм).

На рис. 1, 2 представлены спектры отражения наноматериалов (200 - 2500нм), состав которых представлен выше в табл.1. Образцы 22 и 23 обладают близкими значениями коэффициента отражения, поэтому на графиках показаны значения R только для 22 образца.

Рис. 1 Спектр отражения перспективных материалов ТРП с нанодобавками в диапазоне 200 - 2500 нм

Рис. 1 и 2 показывают, что коэффициент отражения углеродных материалов с добавками наночастиц (образцы 22, 23) в 2 раза меньше чем у стандартного ИП (образец 20).

Рис. 2 Спектр отражения перспективных материалов ТРП в УФ диапазоне - 250 - 350 нм

5. Измерения поляризационных характеристик материалов

Для исследования поляризационных характеристик углеродных и других материалов использовался созданный в ОИВТ РАН Стокс-поляриметр. Рабочая длина волны составляет 0.6328 нм.

Результаты исследования поляризационных характеристик материалов покрытий представлены в табл. 2.

Таблица 2

Поляризационные характеристики материалов покрытий

Сравнение поляризационных характеристик исследованных материалов (типа ИП, образцы 20 и 23) показывает, что степень совершенства ТРП как ИП может контролироваться по значениям эллиптичности оптического сигнала полярометра, отраженного от поверхности образцов.

6. Выводы

1. Получены первые варианты перспективных ТРП с наноструктурными наполнителями и исследованы их спектральные и поляризационные характеристики.

2. Показано, что коэффициент отражения углеродных материалов с добавками наночастиц (образцы 22, 23) в 2 раза меньше чем у стандартного ИП (образец 20).

3. В результате исследования поляризационных характеристик перспективных ТРП установлено, что эллиптичность отраженного оптического сигнала может рассматриваться как информативный признак контроля совершенства ТРП типа ИП.

Литература

1. Киселева Л.В., Григоревский А.В., Ковалева Т.В., Шуйский М.Б. Разработка радиационно-стойких ТРП для изделий РКТ. Перспективные материалы. Труды XIX Международной конференции “Материалы с особыми физическими свойствами и магнитные системы”. Интерконтакт, Наука, Москва, Спецвыпуск, март 2008г.

2. Grigorevskiy А. V., Кiseleva L. V., Aleksandrov N. G. Investigations of Advanced Thermal Control Paint Coatings. In: Proceedings of the International Conference (ICPMSE-9): Protection of Materials and Structures from Space Environment, Toronto-Canada, May, 2008, р.349.

3. Кhasanshin R. Н., Grigorevskiy А. V., Galygin А. N., Alexandrov N. G. Contamination of Optical Surfaces under Irradiation bу Outgassed Volatile Products. In: Proceedings of the International Conference (ICPMSE-9): Protection of Materials and Structures from Space Environment, Toronto-Canada, May, 2008, р.185.

4. J.I. Кlеimаn, Z. Iskanderova, V. Issoupov, А. V. Grigorevskiy, L. V. Кiseleva, М. Finckenог, S. F. Naumov, S. Р. Sokolova, and А. О. Kurilenok. Thе Results оf Ground-based and In-flight Testing оf Charge-dissipative and Conducting ЕКОМ Thermal Control Paints, Proceedings of the International Conference (ICPMSE-9): Protection of Materials and Structures from Space Environment, Toronto-Canada, May, 2008, р.610.

5. Асиновский Э.И., Киселев В.И., Менделеев В.Я., Полищук В.П., Сковородько С.Н. Исследование фазовых превращений на поверхности графита методом Стокс-поляриметрии // ТВТ. 2006. Т. 44. № 3. С.401.

6. Асиновский Э.И., Киселев В.И., Лубнин Е.Н., Менделеев В.Я., Полищук В.П., Самойлов И.С., Сковородько С.Н. Исследование фазовых превращений на поверхности графита при высоких температурах методом Стокс-поляриметрии. Часть 2. Препринт №1-495. ОИВТ РАН. М. 2007. 37 с.

Размещено на Allbest.ru