Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ / Химия высоких энергий

Исследование свойств и структуры полиимидных пленок после воздействия факторов космического пространства низких земных орбит

Диссертация

Автор: Пасевич, Оксана Федоровна

Заглавие: Исследование свойств и структуры полиимидных пленок после воздействия факторов космического пространства низких земных орбит

Справка об оригинале: Пасевич, Оксана Федоровна. Исследование свойств и структуры полиимидных пленок после воздействия факторов космического пространства низких земных орбит : диссертация ... кандидата химических наук : 02.00.09 Обнинск, 2006 113 c. : 61 06-2/401

Физическое описание: 113 стр.

Выходные данные: Обнинск, 2006






Содержание:

Список условных сокращений
Глава 1 Литературный обзор
11 Синтез полиимидных материалов
12 Получение нолиимидной пленки
13 Физико-химические свойства полиимидных пленок
14 Характеристика космического пространства низкихземных орбит
15 Воздействие факторов космического пространства наполимерные материалы КА
16 Применение полимерных материалов на космическихаппаратах 39Выводы
Глава 2 Экснериментальные методы исследования
21 Методика проведения натурного эксперимента на орбитальнойкосмической станции «Мир»
22 Измерение массы и толщины образца
23 Гониометрический метод исследования поверхностных свойствполимерных пленок
24 Спектральные методы исследования
241 Методы спектрофотомерии
242 Метод Фурье ИК спектроскопии
243 Метод MIfflBO
25 Измерение круговых диаграмм яркости
26 Методы электронной сканирующей и атомной силовоймикроскопии
27 Фотографический метод исследования формыкапель жидкости
28 Метод ЭПР
Глава 3 Исследования физических свойств эксионироваииых поли-имидиых плеиок
31 Описание внешнего вида полиимидных пленок
32 Исследование массы, толщины и плотности полиимидов
33 Скорость изменения массы и толщины полиимидных пленок
34 Оценка эффективности реакций атомарного кислорода сполиимидными пленками, экспонированными на орбитальнойкосмической станции «Мир»
35 Оценка радиационная повреждений полиимидных пленок
36 Парамагнитные свойства экспонированных полиимидныхпленок 59Выводы
Глава 4 Исследования поверхностных свойств экснонированных поли-имидных нленок
41 Фотографический метод исследования поверхностиэкспонированных полиимидных пленок
42 Исследование поверхностных свойств полиимидовгониометрическим методом
421 Исходная полиимидная пленка
422 Полиимидные пленки, экспонированные месяцев
423 Полиимидные пленки, экспонированные месяца
424 Полиимидные пленки, экспонированные подзащитой пленок 72Выводы
Глава 5 Структура поверхности иолиимидных пленок
51 Исследование полиимидных пленок методом электроннойсканирующей микроскопии
62 Исследование полиимидных пленок методом атомнойсиловой микроскопии 78Выводы
Глава 6 Исследоваиие оитических свойств эксиоиироваииых поли-имидных иленок
61 Исследование круговых диаграмм яркости
62 Исследование полиимидных пленок методом электроннойспектроскопии 82В ы воды
Глава 7 Исследование химического строения эксионированных ноли-имидных нленок методом ИК-сиектросконии
71 Исследование полиимидных пленок методом ИК-Фурье-спектроскопии
711 Полиимидные пленки, экспонированные месяцев
712 Полиимидные пленки, экспонированные месяца
713 Внутренние полиимидные пленки
72 Исследование тонких поверхностных слоев полиимидовметодом МНПВО 92Выводы

Введение:
Актуальность проблемы.Ранее была установлена неаддитивность совместного воздействия ионизирующих излучений и излучений в области оптических частот (фоторадиационные эффекты) [1 - 4], ионизирующего излучения и высоких давлений (радиационно-барические эффекты) на полимеры [5, 6]. Исследования вэтой области позволили обнаружить новые закономерности в поведении полимерных материалов и радиационные эффекты, которые представляютбольшой теоретический интерес для развития фундаментальных основ химиивысоких энергий и имеют практический значение при разработке новых способов модифицирования и создания перспективных полимерных материалов.Поэтому дальнейшие исследования изменений свойств и структуры полимеров при совместном и комбинированном воздействии различных физическихи химических факторов, несомненно, являются актуальными.Особенно актуальными и практически важными представляются этиисследования для применения полимерных материалов в условиях космического пространства, в котором должны успешно функционировать многочисленные космические аппараты (КА) различного назначения. В космосе наматериалы и элементы узлов космического аппарата одновременно и поочередно воздействует целый ряд физических и химических факторов, например, глубокий вакуум, электромагнитное излучение Солнца, ионизирующиеизлучения, атомарный кислород, активные частицы плазмы, продукты собственной внешней атмосферы, термоциклирование, невесомость [7]. Изучениезакономерностей и специфики поведения полимерных материалов при такомкомплексном воздействии факторов космического пространства (ФКП) является одной из важных задач химии высоких энергий и космического материаловедения.Для применения на КА в качестве экранно-вакуумной теплоизоляции итерморегулирующих покрытий, обеспечивающих заданный тепловой режим,особый интерес представляют полиимидные пленочные материалы, которые,6как известно, обладают уникальными физико-химическими свойствами - высокой химической, термической и радиационной стойкостью, превосходными физико-химическими характеристиками [21, 64, 66]. Однако нроведенныеиспытания в полетных условиях показали, что полиимидные пленки обладают недостаточной стойкостью к воздействию ФКП [8, 9]. Принято считать,что деградация полиимидных пленок в космосе обусловлена, в основном,воздействием потоков атомарного кислорода с энергией - 5 эВ [7, 11, 36, 59,65]. Результаты же лабораторных испытаний полиимидных пленок, полученные при воздействии атомарного кислорода различных энергий, слабо коррелируют с данными, полученными при натурных испытаниях полиимидныхпленок на КА, например, «Скайлеб», «Шаттл», «STP» и др. [6, 10, И, 63].Кроме того, в литературе практически отсутствует информация о закономерностях изменения поверхностных свойств, строения и структуры полиимидных пленок при экспонировании в натурных условиях. Отсутствие такой информации не позволяет сделать заключения о роли тех или других ФКП визменении свойств полиимидных пленок, о закономерностях процессов, ответственных за их деградацию.В течение нескольких лет на кафедре общей и специальной химииИАТЭ проводятся систематические исследования полиимидных и других полимерных пленок, которые прошли экспонирование на поверхности орбитальной космической станции «Мир» [12, 14]. В настоящей диссертационнойработе проведено обобщение результатов исследований полиимидных пленок.Пеобходимо подчеркнуть, что имеющаяся информация о поведенииполиимидных материалов в полетных условиях на КА была получена в условиях одновременного воздействия многочисленных ФКП, которые практически невозможно в полном объеме смоделировать при ускоренных лабораторных испытаниях. Это существенно затрудняет сопоставление результатов,полученных в натурных и наземных испытаниях. Поэтому при проведениинатурных испытаний на орбитальной космической станции «Мир» было решено сопоставить поведение полиимидпых пленок, подвергнутых воздействию совокупности всех факторов космического пространства (внешние пленки), и полиимидных пленок, частично защищенных от воздействия некоторых ФКП. Для выявления влияния ориентации пленок по отношению к направлению движения КА на изменение их свойств, натурным испытаниямбыли подвергнуты две партии пленок, которые отличались расположениемкассет на поверхности станции «Мир». С целью изучения изменения свойствпленок в зависимости от времени пребывания на низких земных орбитах(НЗО) одна из этих партий подвергалась экспонированию в течение 28, авторая в течение - 42 месяцев. Было также проведено сопоставление поведения при экспонировании отечественной полиимидной пленки ПМ-1Э и Карton 100 HN (фирма «Дюпон»).В целом проведение комплекса этих исследований может оказаться полезным разработчикам новых космических аппаратов при выборе, например,терморегулирующих и изоляционных покрытий, экранно-вакуумнойтеплоизоляции.Цель работы.Изучение свойств и структуры полиимидных пленок после воздействияФКП на орбитальной космической станции «Мир» (низкие земные орбиты300 - 450 км). Исследование поверхностных свойств, химического строенияи структуры полиимидных пленок, экспонированных в условиях воздействиявсех ФКП незащищенные (внешние) и частично защищенные (внутренние)пленки в зависимости от времени экспонирования.Научная новизна работы.— Проведены систематические исследования свойств и структуры полиимидных пленок, подвергнутых воздействию факторов космического пространства при экспонировании на орбитальной космической станции «Мир».- Впервые методом сканирующей электронной (СЭМ) и атомносиловой микроскопии (АСМ) обнаружены анизотропные нано- и микроструктуры на полиимидных пленках, открытых воздействию всей совокупности ФКП низких земных орбит.- Образование анизотропных структур подтверждается также обнаружением на наружной поверхности внешних полиимидных пленок анизотропных канель жидкости, регистрацией круговых диаграмм рассеяния света, гониометрическим методом.- Обнаружена корреляция изменений поверхностных свойств полиимидных пленок на нано- и микроуровне с изменением поверхностных макросвойств пленок (анизотропия формы капель жидкости на поверхностивнешних пленок).- При экспонировании протекает гидрофилизация полиимидных пленок, которая в наибольшей степени происходит на наружной поверхпостивнешних пленок, а также, в значительно меньшей мере, закрытых пленок.— Процесс гидрофилизации и образования нано- и микроструктур носитнелинейную зависимость от времени экспонирования.— Химические превращения полиимидных пленок обусловлены протеканием окислительных процессов и деструкцией макромолекул, сопровождаюш,ейся распадом имидных циклов и ароматических колец.— При экспонировании в космосе в полимерных пленках увеличиваетсяконцентрация парамагнитных центров.- Нелинейное увеличение скорости деградации полиимидных пленокпосле 28 месяцев экспонирования отнесено за счет значительного увеличенияконцентрации атомарного кислорода в период повышенной солнечной активности.— Оценка эффектив1юсти реакций атомарного кислорода, ответственных за потерю массы при натурных испытаниях полиимидных пленок на орбитальной космической станции «Мир».- Выдвинуто предположение, что образование нано- и микроструктуринициируется процессами столкновения полиимидных пленок с потокоматомарного кислорода.- Обсуждается возможность процесса самопроизвольного формирования диссипативных структур в твердом полимере, который в условиях космоса можно рассматривать как открытую термодинамически неравновеснуюсистему.Практическая значимость.Установленные закономерности изменения структурных свойств полиимидных пленок в условиях эксплуатации КА на низких земных орбитахпредставляют интерес для конструкторов и разработчиков космической техники при выборе терморегулирующих покрытий и экранно-вакуумной теплоизоляции для обеспечения требуемого теплового режима аппарата. Результаты этих исследований могут быть также использованы при разработке моделей, необходимых для прогнозирования рабочего ресурса полимерных материалов на НЗО. Основные положения, выносимые на защиту.1. Обнаружение на поверхности внешних полиимидных пленок анизотропных нано- и микроструктур, зависимость этих структур от времениэкспонирования и ориентации пленок по отношению к направлениюдвижения станции «Мир».2. Результаты исследований процессов гидрофилизации полиимидных пленок в зависимости от расположения пленок в кассете на поверхностиорбитальной космической станции «Мир» и времени экспонирования.3. Нелинейная зависимость изменения физических и поверхностныхсвойств, образования нано- и микроструктур от времени экспонированиявнешних полиимидных пленок.4. Корреляция между изменениями поверхностных свойств полиимидныхпленок на нано- и микроуровне с изменениями поверхностных макросвойств внешних пленок (анизотропия формы капель жидкости на поверхности).105. Деструкция и окисление полиимидных пленок как следствие процессовраспада имидных циклов, ароматических колец и образование кислородсодержащих групп.6. Оценка эффективности реакций, ответственных за потерю массыполиимидных пленок при натурных испытаниях.7. Инициирование процессов деструкции и структурирования как результат процессов столкновения полиимидных пленок с потоком атомарного кислорода.8. Возможность самопроизвольного формирования диссипативных структур в полиимидных пленках, которые в условиях космоса рассматриваются как открытые термодинамически неравновесные твердые системы.Апробация работы.Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на:XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003 г.),конференциях «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 2003 г. и 2005 г.), XVI международнойконференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Звенигород, 2003 г.),12^ '^ International Conference on Radiation Effects in Insulators (Granado-RioGrande do Sul-Brazil, 2003 г.), 9^*^ International Symposium - Materials in a SpaceEnvironment (Noordwijk, 2003 г.), IV Баховской конференции по радиационной химии (в рамках Конференции «Физико-химические основы новейшихтехнологий XXI века») (Москва, 2005 г.), XL научных чтений памятиК.Э.Циолковского. Секция 8 «К.Э. Циолковский и проблемы космическогопространтсва» (Калуга, 2005 г.), IX Международной конференции «Безопасность АЭС и подготовка кадров» (Обнинск, 2005 г.).Публикации.По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ.11Структура диссертации.Во введении обоснована актуальность диссертационной работы исформулированы основные задачи исследования.Первая глава - литературный обзор. Рассмотрены физико-химическиесвойства полиимидных материалов, дано описание ФКП ИЗО, обсужденовлияние ФКП околоземного космического пространства на структуру и свойства полиимидных материалов. Сформулированы основные задачи исследований полиимидных пленок, экспонированных на станции «Мир» в течение28 и 42 месяцев.Во второй главе описаны экспериментальные методы, с помощью которых проводилось исследование свойств и структуры полиимидных материалов,В третьей главе изложены результаты исследований массы, толщиныи плотности пленок, приведены расчеты скорости изменения массы и толщины пленок в зависимости от времени экспонирования, эффективности реакций атомарного кислорода с полиимидными пленками, дана оценка их радиационной стойкости и парамагнитных свойств.Четвертая глава посвящена исследованиям поверхностных свойствэкспонированных полиимидных пленок,В пятой главе изложены результаты исследований структуры поверхностей полиимидных пленок, экспонированных 28 и 42 месяцев, методамиСЭМ и АСМ,Шестая глава посвящена исследованиям круговых диаграмм яркостии электронных спектров экспонированных полиимидных пленок,В седьмой главе приведены результаты исследования изменений химического строения экспонированных полиимидных пленок методом ИКспектроскопии.12Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю заведующему кафедрой общей и специальной химии ИАТЭ, докторухимических наук, профессору Милинчуку В. К. за неоценимую помощь втеоретических исследованиях, подготовки рукописи, а также за постоянную и внимательную опеку. Автор искренне признателен доценту кафедры общей и специальной химии Р1АТЭ, кандидату химических наукКлиншпонту Э. Р. за ценные советы и консультации.