Экспериментальный комплекс для исследования радиационной стойкости волокнистых наполнителей полимерных композиционных материалов

Развитие космической, атомной и электронной промышленности потребовало создания новых полимерных материалов, способных сохранять высокие эксплуатационные качества при внешних энергетических воздействиях, в частности в условиях влияния различных видов ионизирующих излучений (ИИ). Известно, что под действием ИИ в полимерах происходят процессы структурирования и деструкции, причем наличие в макромолекулах двойных связей и ароматических циклов способствуют повышению стойкости полимеров к ИИ. Изучение изменения их структуры и физико-механических свойств в зависимости от поглощенной дозы, определение глубины прошедших обратимых и необратимых эффектов позволяет прогнозировать работоспособность элементов конструкций, созданных из полимеров и композитов, подвергающихся воздействию излучений высоких энергий, оценить их радиационную стойкость.

Сравнивая результаты, полученные при определении свойств материалов до, во время и после облучения, можно легко установить, что под воздействием ИИ зачастую меняется большой ряд взаимосвязанных величин, что необходимо учитывать при проведении испытаний. На результаты воздействия излучения влияют такие факторы, как энергетический спектр и интенсивность излучения, время экспозиции при облучении и после него, давление и состав окружающей среды, температура, при которой производится облучение и которая возникает в материале в результате взаимодействия с ним излучения, техника и технология изготовления образцов и их последующая обработка, уровень внутренних напряжений в них, содержание и состав примесей. Последние способны играть весьма важную роль в ходе радиационно-химических реакций вследствие существования различного рода эффектов передачи энергии. Примесями, которые играют наиболее важную роль, являются молекулярный кислород, галоиды, ароматические соединения и некоторые другие вещества.

Для оценки радиационной стойкости применяются различные методы исследования радиационно-стимулированного изменения свойств материалов. Существуют так называемые натурные испытания, которые заключаются в исследовании различных характеристик, параметров и свойств непосредственно на месте эксплуатирования испытываемых материалов. Но чаще всего выполнение работы в таких условиях связано с рядом технических трудностей, которые ведут к большим материальным затратам. В этой связи, исходя из экономических соображений, используются методы исследования различных характеристик, основанные на экспрессных испытаниях материалов.

В наше время актуальной становится проблема увеличения срока службы различных изделий в космосе. Поэтому необходимо исследование радиационной стойкости перспективных волокнистых наполнителей полимерных композиционных материалов (ПКМ) и исследование радиационной чувствительности волокон для дальнейшего развития радиационно-химических технологий.

В этом плане исследования радиационной чувствительности и устойчивости конструкционных композиционных материалов направлены на определение живучести элементов ракетно-космических систем в условиях космического пространства и их выживаемости при воздействии ИИ другого характера. Вопрос стойкости материалов к радиационным воздействиям часто связан с некоторыми особенностями, неочевидными для специалистов разных направлений, работающими над важными, но не имеющими отношения к лучевым поражающим факторам задачами по созданию и отработке изделия из композиционного материала. Если такое изделие создано и испытано, то следующим этапом его отработки является доработка с целью улучшения его характеристик, упрощения изготовления и снижения стоимости. Достижение этих целей при изготовлении критических элементов конструкции во время такой доработки может привести к снижению стойкости всего изделия к воздействию радиационного облучения. Это определяет актуальность исследований радиационной устойчивости конструкционных ПКМ, успешно используемых в современной ракетно-космической технике, и необходимость учета полученных результатов при расчете и конструировании изделий и их доработке.

Целью работы является совершенствование экспериментальных средств для изучения влияния внешних факторов на характер радиационных процессов в высокополимерах. Реализация метода экспрессных испытаний для исследования радиационной стойкости и радиационной чувствительности перспективных волокнистых наполнителей ПКМ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработка и создание приспособлений для у-облучательной установки РХ-гамма 30 («Исследователь»), позволяющих проводить радиационную обработку волокон при воздействии на них внешних факторов (среда и атмосфера при облучении, напряженное состояние и т. п.);

— применение метода экспрессных радиационных испытаний для исследования радиационной стойкости перспективных волокнистых наполнителей ПКМ;

— применение метода экспрессных радиационных испытаний, позволяющего исследовать радиационную чувствительность волокон для установления предела радиационных воздействий в радиационно-химических технологиях;

— применение метода экспрессных радиационных испытаний, позволяющего исследовать влияние различных внешних факторов (среда и атмосфера при облучении, напряженное состояние и т. п.) на физико-механические свойства волокон для совершенствования радиационных методов и технологий переработки ПКМ.

Научная новизна заключается в:

1) Разработке экспериментального комплекса, позволяющего проводить радиационную обработку волокон при воздействии на них внешних факторов.

2) Получении закономерностей влияния ИИ на свойства ориентированных высокополимеров.

3) Исследовании влияния внешних факторов на характер радиационно-стимулированных процессов в волокнистых наполнителях.

Полученные данные, несомненно, представляют практический интерес, т.к. с помощью экспрессных методов исследования были установлены параметры радиационной чувствительности перспективных наполнителей КМ, помогающие реализации радиационно-химических методов модификации их поверхности, а результаты исследования радиационной стойкости волокнистых наполнителей могут быть использованы при создании радиационно-стойких ПКМ.

Результаты исследований внедрены в опытном производстве ОАО «Композит» (г. Королев, Московской области) и в учебном процессе кафедры «Физика и технология композиционных материалов» по специальности «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов» в курсе «Радиационное материаловедение» .

На защиту выносятся:

1) Экспериментальный комплекс, позволяющий учитывать и моделировать дополнительные факторы (среда и атмосфера при облучении, напряженное состояние и т. п.), влияющие на характер радиационных процессов в материале.

2) Результаты исследования радиационной стойкости волокнистых наполнителей, подтвердившие возможность радиационного структурирования волокон углеродной группы и арамидных волокон с кристаллической структурой.

3) Результаты исследования радиационной стойкости волокон в различных средах, доказывающие применяемость углеродных и арамидных волокон в радиационно-химических технологиях.

Диссертационная работа состоит из трех глав, содержит 40 рисунков и 16 таблиц, характеризующих полученные результаты.

В первой главе рассмотрены теоретические основы радиационного воздействия на физико-механические характеристики материалов, представлены общие закономерности взаимодействия излучения с веществом в виде конденсированных фаз и полимерном состоянии. Также проведен анализ радиационно-химических процессов в некоторых волокнистых наполнителях и влияния ионизирующего излучения на основные классы связующих и на полимерные композиционные материалы. На основании чего, сделан вывод о возможности реализации процессов радиационного сшивания молекулярных структур наполнителя и связующего композиционного материала, ведущих к улучшению свойств ПКМ.

Во второй главе разработан экспериментальный комплекс, позволяющий осуществить одновременное воздействие ионизирующей радиации и различных внешних факторов в образцах исследуемых материалов, и реализован метод экспрессных испытаний, позволяющий моделировать в лабораторных условиях радиационные воздействия открытого космоса и других лучевых факторов.

В третьей главе рассмотрены экспериментальные результаты влияния радиационного фактора на физико-механические свойства волокнистых наполнителей и их радиационную стойкость. Установлен характер и направление изменения физико-механических свойств перспективных наполнителей при их облучении в различных средах.

В заключении представлены общие выводы по работе и рекомендации их практического использования в конструкторско-технологическом процессе разработки изделий из ПКМ с учетом радиационного воздействия.

Список литературы

включает 72 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведены исследования радиационного воздействия на физико-механические характеристики перспективных наполнителей ПКМ, которые позволили решить поставленные в работе задачи и сделать следующие выводы:

1) Разработан экспериментальный комплекс, позволяющий проводить исследования радиационной стойкости волокнистых наполнителей при воздействии внешних факторов, а также моделировать в лабораторных условиях, методом экспрессных испытаний, радиационные воздействия заданных диапазонов.

2) Проведены исследования радиационной устойчивости волокнистых наполнителей различного класса, которые подтвердили возможность радиационного структурирования волокон углеродной группы и арамидных волокон с кристаллической структурой. В результате радиационного структурирования происходит улучшение прочностных и упругих свойств этих волокнистых наполнителей. Установлено, что арамидные волокна фибриллярной структуры ухудшают свои прочностные и упругие характеристики под влиянием ИИ.

3) Проведены исследования радиационной чувствительности волокон, для установления предельных радиационных воздействий в радиационно-химических технологиях, не приводящих к снижению их исходных физико-механических свойств. Для большинства рассматриваемых волокон предельная поглощенная доза не превышает 12,5 кГр.

4) Исследовано влияние внешних факторов на радиационную стойкость волокнистых наполнителей. Показано, что увеличение содержания кислорода в атмосфере облучения приводит к снижению прочности и модуля упругости, т.к. деструкция волокон при окислении развивается быстрее. Влияние напряженного состояния волокон и жидких растворителей при радиационной обработке менее заметно, что определило их применяемость в радиационно-химических технологиях.