Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 2, стр. 54-59

ВВЕДЕНИЕ

Космическое излучение является одной из основных проблем при осуществлении межпланетного космического полета, особенно для пилотируемых миссий за пределами низкой околоземной орбиты. Оно может не только нанести вред здоровью космонавтов [1], но и повредить чувствительное радиоэлектронное оборудование космического аппарата [2]. Космическое излучение состоит из различных заряженных частиц, в том числе протонов, электронов и ионов тяжелых элементов с энергией и флуенсами в широком диапазоне, которые зависят от высоты полета, солнечного цикла и других факторов [3, 4].

Источники космического излучения – галактические космические лучи, солнечные лучи, частицы альбедо и радиационные пояса. Спектр галактического космического излучения на орбите Земли состоит приблизительно из 83% протонов, 13% альфа-частиц, 3% электронов и 1% ядер с Z > 2. Солнечные космические лучи состоят из протонов, атомов гелия и более тяжелых ионов. Протоны радиационных поясов Земли вносят огромный вклад в космическое излучение, их учет особенно важен в случае миссий на низкой околоземной орбите с высотой около 450 км [5, 6].

Традиционно в качестве радиационно-защитного экрана использовали металлы и их сплавы [7–9]. В настоящее время активно ведутся разработки новых композитных материалов, которые не только обладают лучшими радиационно-защитными свойствами по сравнению с алюминием – материалом, который в настоящее время используется для создания большинства конструкций космических аппаратов, но и меньшей массой [10–15].

Эффективность потенциального экранирующего материала измеряется его способностью ослаблять интенсивность излучения при прохождении через материал. Однако при прохождении высокоэнергетических электронов и протонов космического излучения через тяжелые металлические материалы возникает вторичное излучение, включающее в себя заряженные частицы, фотоны и нейтроны, которое наносит даже больший вред, чем первичное [16]. В [17, 18] указано, что для некоторых материалов (алюминия и более тяжелых элементов) при определенных толщинах вклад вторичных частиц в суммарную дозу эквивалента фактически превышает вклад первичных частиц. В таком случае использование легких материалов для радиационно-защитных экранов, например, полимерных, более эффективно.

Однако использование чистых полимеров в космосе ограничено в силу их низкой термостабильности, низкой устойчивости к атомарному кислороду и ряда других негативных факторов космического пространства [19–21]. Кроме того, воздействие радиации приводит к образованию новых химических связей, что обычно сопровождается необратимыми последствиями, которые проявляются в изменении внешнего вида, химических и физических состояний, а также механических, электрических и тепловых свойств [22, 23]. Введение неорганических наполнителей в полимеры позволяет создавать композиты с улучшенными термическими, физико-механическими и радиационно-защитными свойствами.

В настоящей работе рассмотрено воздействие протонного излучения как одного из наиболее опасного в космическом излучении на полимерные высоконаполненные композиты на основе полиимида и оксида вольфрама(VI). Выбор в качестве полимерной матрицы термопластичного полиимида обусловлен его свойствами, необходимыми для использования в космическом пространстве: высокими физико-механическими свойствами при низких и повышенных температурах; хорошими антифрикционными свойствами, сохраняющимися при низких и высоких температурах; высокой износостойкостью и другими свойствами [24, 25]. Устойчивость к протонному излучению в работе оценивали расчетными методами.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве полимерной матрицы использовали термопластичный полиимид в виде прессовочного порошка марки ПИ-ПР-20 (производитель АО “Институт пластмасс им. Г.С. Петрова”). Дисперсность частиц полиимида составляла не более 500 мкм, массовая доля летучих веществ – не более 1%. В качестве наполнителя для полиимидных композитов использовали оксид вольфрама(VI). Плотность наполнителя 7.4 г/см³, дисперсность частиц не более 2 мкм.

Синтез композитов осуществляли методом прямого прессования при температуре 380–400°С и удельном давлении 500 кгс/см². Готовый композит представлял собой диск диаметром 30 мм и толщиной 3–4 мм. Содержание оксида вольфрама варьировалось от 10 до 80 масc. %. Прессование композитов проводили с использованием автоматического гидравлического пресса Vaneox–40t automatic. Плотность полученных композитов определяли методом гидростатического взвешивания. Предел прочности при растяжении определяли на универсальной механической испытательной машине UTS-10.

Величину термического расширения характеризовали температурным коэффициентом линейного pacширения α. Коэффициенты линейного расширения всех образцов измеряли при температуре от 20 до 250°С. Среднее значение α в интервале температур ΔТ определяли по формуле:

где Δl – изменение длины образца в интервале температур ΔТ, l – начальный размер образца. Диэлектрическую проницаемость ε вычисляли исходя из экспериментального значения электроемкости по формуле: где С – электроемкость, ε₀ – диэлектрическая постоянная, ε₀ = 8.85 × 10^–12 Ф/м, S – площадь электрода (пластины конденсатора). Электроемкость определяли с помощью мультиметра Digital DT9205A с использованием плоского конденсатора.

Для определения водопоглощения готовых композитов образцы погружали в воду. Через 24 ч образцы вынимали из воды, удаляли влагу с их поверхности мягкой влажной тканью и немедленно взвешивали. Водопоглощение вычисляли по формуле:

где m₁ – масса образца в сухом состоянии [г]; m₂ – масса образца через 24 ч насыщения водой [г]. Для расчета прохождения протонов с энергией от 0.5 до 5 МэВ в разработанных высоконаполненных композитах использовали их атомарный химический состав (табл. 1).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 2 представлены основные физико-механические свойства полученных высоконаполненных полиимидных композитов с оксидом вольфрама(VI). Анализ данных показывает, что введение предлагаемого наполнителя – WO₃ – приводит к улучшению физико-механических характеристик итоговых композитов. Плотность чистого образца полиимида 1.43 г/см³, а при введении 80 маcс. % WO₃ плотность возрастает в три раза до значения 4.35 г/см³. Предел прочности при растяжении композитов вначале существенно растет до значения 157 МПа при содержании наполнителя 60 маcс. %, а затем значительно снижается до 63 МПа. Это свидетельствует о том, что при введении более 60 маcс. % WO₃ возникает недостаток связующего полиимида для скрепления в единый композит. Поэтому целесообразно использовать композиты с содержанием предлагаемого наполнителя не более 60 маcс. %. Такой параметр, как водопоглощение, при введении значительно снижается с увеличением вводимого WO₃. При максимальном содержании WO₃ (80 маcс. %) водопоглощение 0.11%, тогда как образец чистого полиимида поглощает влагу сильнее (водопоглощение 0.30%). Коэффициенты линейного расширения всех образцов измеряли при температуре от 20 до 250°С. Коэффициенты всех исследуемых композитов малы (табл. 2).

Исходя из данных табл. 2 можно утверждать, что разработанные композиты на основе полиимида и оксида вольфрама (VI) обладают высокими физико-механическими характеристиками и могут найти применение в области космического материаловедения. Для оценки возможности использования разработанных материалов в космической отрасли необходимо изучить устойчивость данных материалов к различным видам ионизирующего излучения, присутствующим в космическом пространстве. Далее представлены результаты оценки радиационно-защитных свойств композитов по отношению к протонному излучению методом математического моделирования. Данный способ позволяет сделать первоначальный прогноз об устойчивости материалов к воздействию протонов без использования дорогостоящих экспериментов по облучению материалов в условиях космоса или протонных ускорителей.

Воспользуемся формулой Бете–Блоха для линейной тормозной способности [МэВ/см]. В случае малой кинетической энергии протонов $\left( {{{E}_{k}} \ll {{M}_{p}}{{c}^{2}}\left( {\frac{{{{M}_{p}}{{c}^{2}}}}{{2{{m}_{e}}{{c}^{2}}}} - 1} \right)} \right)$ она принимает вид:

где U – поправка на учет связи электронов на K- и L-оболочках, δ учитывает эффект поляризации среды (эффект плотности). В рассматриваемой задаче U и δ не существенны. В формуле приняты обозначения: $\beta = \sqrt {1 - \frac{{{{{\left( {{{M}_{p}}{{c}^{2}}} \right)}}^{2}}}}{{{{{\left( {{{M}_{p}}{{c}^{2}} + {{E}_{k}}} \right)}}^{2}}}}} $ – фактор Лоренца протона с кинетической энергией E_k, K = 4π$r_{e}^{2}$m_ec²N_A = 0.307 МэВ · г^–1 · см², m_ec² = = 0.511 МэВ – энергия покоя электрона, М_рс² = = 938.3 МэВ – энергия покоя протона, Z – заряд частицы в единицах заряда позитрона (для протона Z = 1), ${{r}_{e}} = \frac{{{{e}^{2}}}}{{{{m}_{e}}{{c}^{2}}}}$ = 2.8 × 10^–13 см – классический радиус электрона, N_A = 6 × 10²³ моль^–1, ρ – плотность вещества, I – средний ионизационный потенциал атома вещества среды.

Исследуемый композиционный материал состоит из атомов разного сорта, каждый из которых будет давать свой вклад в ионизационные потери энергии электронов. Воспользуемся композиционным законом Брэгга:

где ρ_i и ${{\left( { - \frac{{dE}}{{dx}}} \right)}_{i}}$ – плотность и вклад i-го элемента в сложном веществе в ионизационные потери протона.

Перепишем выражение (5) в более удобном для анализа виде:

В этом случае вклад каждого вещества в суммарные ионизационные потери имеет вид: Средние ионизационные потенциалы рассматриваемых атомов имеют следующие значения: I_C ≈ 78, I_N ≈ 82, I_O ≈ 95, I_H ≈ 19.2, I_W ≈ 727 эВ.

Исходя из композиционного закона Брэгга (5) ионизационные потери энергии протонов в исследуемом композиционном материале запишем в виде:

На рис. 1 представлены кривые, построенные по формулам (7) и (9). Они демонстрируют ионизационные потери полученного в работе полимерного композита при разном содержании WO₃ в композите. Анализ рисунка показал, что при увеличении содержания WO₃ ионизационные потери возрастают при одинаковой начальной энергии протонов. Наименьшими ионизационными потерями характеризуется образец без наполнителя, а наибольшими – композит с содержанием наполнителя 80 маcс. %.

Одной из радиационно-защитных характеристик является средний пробег протонов в материале. Средний пробег рассчитывается по формуле:

На рис. 2 представлены кривые, демонстрирующие зависимость среднего пробега электрона в композите от его начальной кинетической энергии, при разном содержании WO₃ в композите. Анализ рисунка показал, что при большей концентрации наполнителя средний пробег уменьшается (при одинаковой энергии протонов). То есть наполнитель играет решающую роль в оценке среднего пробега протонов. Данные рис. 2 показывают, что в рассматриваемых композитах средний пробег протонов мал в широком диапазоне значений начальной энергии (1–5 МэВ). Это указывает на возможность использования композита для защиты от протонного излучения в космическом пространстве. Для сравнения на рис. 3 представлены данные о средних пробегах протонов с энергией 5 МэВ в композите с содержанием WO₃ 80 маcс. %, алюминии и полимерах [26]. Средний эффективный пробег протонов в исследуемом композите близок к пробегу в алюминии. Пробег протонов в полимерах без наполнителя практически в два раза больше, чем в рассматриваемом композите.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе установлено, что введение предлагаемого наполнителя – WO₃ – приводит к улучшению физико-механических характеристик итоговых композитов. Плотность чистого образца полиимида 1.43 г/см³, а при введении 80 маcс. % WO₃ плотность возрастает в три раза до 4.35 г/см³. Линейные коэффициенты термического расширения всех исследуемых композитов малы и не превышают значения 2 × 10^–6. Показано, что целесообразно использовать композиты с содержанием наполнителя не более 60 маcс. %, так как при большей его концентрации снижаются прочностные характеристики.

Представлены расчетные данные о прохождении протонов через исследуемые композиты. При увеличении содержания WO₃ ионизационные потери возрастают при одинаковой начальной энергии протонов. Наименьшими ионизационными потерями характеризуется образец без наполнителя, а наибольшими – композит с содержанием наполнителя 80 маcс. %.

Установлено, что наполнитель играет решающую роль в оценке среднего пробега протонов. В рассматриваемых композитах средний пробег протонов мал в широком диапазоне значений начальной энергии (1–5 МэВ). Это указывает на возможность использования композита для защиты от протонного излучения в космическом пространстве. Средний эффективный пробег протонов в исследуемом композите близок к пробегу в алюминии. Пробег протонов в полимерах без наполнителя практически в два раза больше, чем в рассматриваемом композите.