РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ, К ВОЗДЕЙСТВИЮ ФАКТОРОВ ОТКРЫТОГО КОСМОСА

Тема данной статьи заключается в разработке методов оценки стойкости полимерных материалов, изготовленных методом селективного лазерного спекания, к воздействию факторов открытого космоса, для грамотного выбора необходимых в космических экспедициях материалов.

Актуальность данной статьи состоит в том, что грамотный выбор материалов для космических аппаратов (КА), в том числе защитных покрытий, позволит исключить накопление статического электричества на его поверхности. В противном случае, если не бороться с эффектом накопления статического заряда, на поверхности КА возникнет отрицательный потенциал, величина которого может составлять от единиц до десятков киловольт. И, так как поверхность космического аппарата на 80-90% покрыта различными защитными диэлектрическими материалами, разность потенциалов различных участков его поверхности достигает значительных величин, из-за чего возникают электрические пробои, приводящие к электромагнитным, световым и акустическим помехам для оборудования корабля.[1]

Для предотвращения накопления статического заряда можно покрывать полимерные материалы на поверхности КА тонкими металлическими плёнками, которые будут рассеивать заряд. Но для начала следует определить, какой из основных методов 3D-печати является наиболее подходящим для использования в условиях космического пространства. Для этого следует сравнить основные технологии 3D-печати, а затем сделать выводы, основанные на сильных и слабых сторонах этих технологий.

Лазерная стереолитография (SLA) – метод 3D-печати, основанный на послойном отверждении фотополимерных смол под действием лазерного луча (рис. 1). [3]

Рисунок 1. Установка для SLA

Преимущества данного метода:

• Построение структур высокой сложности (тонкостенные и мелкие детали);
• Готовая деталь легко поддаётся обработке;
• Высокая точность построения и высокое качество поверхности.

Недостатком является высокая стоимость процесса из-за дороговизны расходных материалов. [3]

Метод послойного наплавления (FDM) – технология 3D-печати, основанная на послойном выращивании образца с помощью расплавленной нити из пластика (рис. 2). Самый распространённый из всех методов аддитивного производства ввиду своей дешевизны. [4]

Рисунок 2. Установка для FDM

Преимущества данного метода: изделия получаются прочными и износостойкими, у материалов низкая стоимость, широкие возможности постобработки.

Недостатки:

• Медленный процесс изготовления образца;
• Небольшая разрешающая способность по горизонтали и по вертикали, что приводит к слоистости поверхности изделия;
• Для фиксации прототипа первый его слой должен прилипнуть к поверхности платформы, из-за чего приходится нагревать рабочий стол или наносить на него различные покрытия. [4]

Селективное лазерное спекание (SLS) – метод 3D-печати, основанный на послойном спекании порошков материалов с помощью лазерного луча (рис. 3). [2]

Среди прочих технологий 3D-печати SLS является самой широкопрофильной, так как диапазон используемых материалов достаточно широк – порошки пластика, металла, керамики, стекла, нейрона. Более того, метод селективного лазерного спекания позволяет создавать целые узлы и механизмы, что позволяет облегчить процесс сборки и уменьшает вес конечного изделия. [2]

Рисунок 3. Установка для SLS

Преимущества данного метода:

• Высокая прочность изделия, точное построение, качественная поверхность;
• Большая камера построения (до 750 мм);
• Возможность изготовления готовых деталей;
• Малый процент отходов.

Недостатки метода:

• Низкая скорость процесса;
• Большие энергетические затраты. [2]

Итак, наиболее подходящим для использования в условиях открытого космоса является метод селективного лазерного спекания, так как с его помощью можно создавать прочные изделия больших размеров с качественной поверхностью. Также данный метод имеет малый процент отходов, что даёт возможность использовать оставшийся расходный материал для последующих сессий. Но самое главное преимущество – это обширный выбор материалов для печати (полимеры, металл, керамика, стекло и т.д.)

Для аттестации полимерного материала и защитного покрытия для использования в условиях открытого космоса была разработана методика испытаний, целью которой является изучение деградации полимерных деталей, напечатанных по технологии СЛС, под термовакуумным воздействием, в том числе изучение деградации защитного слоя при температуре выше 100 ºC.

Методика основана на четырёх методах испытаний:

Метод термовакуумных исытаний, заключающийся в том, что материал исследования подвергают вакуумно-тепловому воздействию, а затем определяют потерю массы образца и содержание летучих веществ.

Метод измерения удельного сопротивления или Метод ван дер Пау, который заключается в расчёте удельного электрического сопротивления по измерению разности потенциалов в двух точках, которые находятся на плоской поверхности, при пропускании электрического тока определённой величины через два точечных заряда, находящихся на той же поверхности.

Метод оценки стойкости к электронному воздействию, который основан на исследовании материала с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Метод оценки физической стойкости, основанный на визуальном осмотре поверхности образца.

Перед началом испытаний образец проходит проверку на соответствие следующим критериям:

• Их минимальная масса должна составлять не менее 200 мг;
• Их размеры должны обеспечивать выход летучих конденсирующихся веществ из образца и позволять свободно помещать образец в изотермический контейнер.

Далее идёт подготовка к испытаниям образцов с покрытием:

• Визуальный осмотр образцов, металлизированного слоя и лакового подслоя;
• Измерение электрических характеристик слоя с помощью четырёхточечного измерителя;
• Фиксация результатов в таблице.

После чего образец направляется на термовакуумные испытания, где фиксируются потеря массы и содержание летучих веществ с помощью микроаналитических веществ и результаты фиксируются в таблице

Следующим этапом является измерения сопротивления, где с помощью зонда измерительной головки проводят измерения разности электрических потенциалов. Данные измерения проводят 10 раз и результаты записывают в таблицу

Далее оценивают стойкость образца к электронному воздействию, сканируя разные его области с помощью РЭМ. Засекается время, за которое изображение засвечивается из-за накопления поверхностного заряда.

После того, как все испытания завершены, результаты обрабатывают и записывают.

Для определения подходящих материалов выделены следующие критерии:

При термовакуумном воздействии: для изделий космической техники, располагающихся снаружи и подвергающихся вакуумно-тепловому воздействию, рекомендуется использовать неметаллические материалы с общей потерей массы не более 1% и с содержанием конденсирующихся веществ не более 0,1%.

Если же эти нормы превышены, использование такого материала может быть только в случае невозможности замены на материал с меньшим газовыделением.

При сканировании РЭМ, если сканируемая область или какая-то её часть не засвечивается более 1 минуты, то считается, что покрытие выполняет свою задачу по отводу наведённого поверхностного заряда.

Подводя итог, в данной статье была приведена методика оценки полимерных материалов, используемых в условиях космического пространства, для грамотного выбора необходимых в космических экспедициях материалов.

Список литературы:

1. Акишин А.И., Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов // Космонавтика, астрономия. – 1983. – №4. – С. 14-16
2. Селективное лазерное спекание (SLS) [Электронный ресурс]. – https://3ddevice.com.ua/selektivnoe-lazernoe-spekanie-sls/ – статья в интернете
3. Стереолитография (SLA) [Электронный ресурс]. – 3dtoday.ru/wiki/SLA_print/ - статья в интернете
4. Технология 3D-печати FDM (Fused Deposition Modeling) [Электронный ресурс]. – 3d.globatek.ru/3d_printing_technologies/fdm/ - статья в интернете