Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 27(113)

Рубрика журнала: Технические науки

Секция: Нанотехнологии

Скачать книгу(-и): скачать журнал часть 1, скачать журнал часть 2

Библиографическое описание:
Усс Д.В. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ, К ВОЗДЕЙСТВИЮ ФАКТОРОВ ОТКРЫТОГО КОСМОСА // Студенческий: электрон. научн. журн. 2020. № 27(113). URL: https://sibac.info/journal/student/113/186445 (дата обращения: 10.08.2020).

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

Усс Дмитрий Вадимович

студент, Инженерная академия, Российский университет дружбы народов,

РФ, г. Москва

Научный руководитель Макеев Мстислав Олегович

канд. техн. наук., доц., Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,

РФ, г. Москва

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

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом