терморегулирующий материал
Классы МПК: | B64G1/58 тепловая защита, например тепловые экраны B32B5/24 один из которых выполнен из волокон или нитей D02G3/12 нити, содержащие металлические мононити или полоски металлов |
Автор(ы): | Бороздина Ольга Васильевна (RU), Иваненко Татьяна Анатольевна (RU), Каракашьян Заре Завенович (RU), Калиберда Людмила Дмитриевна (RU), Левакова Наталья Марковна (RU), Свечкин Валерий Петрович (RU), Чистяков Иван Сергеевич (RU), Цвелев Вячеслав Михайлович (RU) |
Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью НПП "ПОЛИПЛЕН" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2012-04-24 публикация патента:
20.09.2013 |
Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники, в частности к терморегулирующим материалам, предназначенным для использования в системах пассивного терморегулирования космических объектов. Терморегулирующий материал содержит наружный облицовочный слой из тканого материала с вплетенными в продольном и поперечном направлениях электропроводящими нитями. В терморегулирующий материал введена подложка из металлизированной с одной внутренней стороны полиимидной пленки. Наружный облицовочный слой выполнен с вплетением электропроводящих нитей, полученных путем скрутки металлической проволоки толщиной 30-50 µкм с полимерной нитью линейной плотности 1,5-11 текс и переплетением с плотностью нитей 6-12 г/см2 по утку и основе. Между подложкой и облицовочным слоем введен термопластичный слой на основе полиимидов, или полиэфиримидов, или полиэфиров, или полисульфонов. Достигается снижение массы терморегулирующего материала. 1 ил.
Формула изобретения
Терморегулирующий материал, содержащий наружный облицовочный слой из тканого материала с вплетенными в продольном и поперечном направлениях электропроводящими нитями, отличающийся тем, что в него введена подложка из металлизированной, по крайней мере, с одной - внутренней стороны полиимидной пленки, при этом наружный облицовочный слой выполнен с вплетением электропроводящих нитей, полученных путем скрутки металлической проволоки толщиной 30-50 мкм с полимерной нитью линейной плотности 1,5-11 текс и переплетением с плотностью нитей 6-12/ см2 по утку и основе, причем между подложкой и облицовочным слоем введен термопластичный слой на основе полиимидов или полиэфиримидов, или полиэфиров, или полисульфонов.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области космического материаловедения и оптической техники, в частности, к терморегулирующим материалам, предназначенным для использования в системах пассивного терморегулирования космических объектов, например, для тепловой защиты приборов и оборудования космических аппаратов.
Кроме того, предлагаемое техническое решение может быть использовано в качестве теплозащитного и терморегулирующего материала в герметичном отвакуумированном объеме.
На космические объекты (КО), летающие как на околоземных, так и на геостационарных орбитах воздействуют ряд негативных факторов, мешающих нормальному функционированию бортовых систем и аппаратуры, а также безопасности работы экипажа, что выдвигает целый ряд требований к терморегулирующим материалам:
- электромагнитное излучение (ЭМИ) Солнца требует обеспечения радиационной стойкости материалов защиты;
- на поверхность космических объектов воздействует УФ-излучение, а также горячие газовые потоки работающих ракетных двигателей, отрицательно действующих на корпус КО, аппаратуру и экипаж, в этой связи необходимо поддержание температуры их штатного функционирования;
- на внешнюю поверхность корпуса КО воздействует также корпускулярное излучение - потоки электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ), под их действием на диэлектрических поверхностях КА скапливается неоднородный электростатический заряд, при этом между областями поверхности с разными электрическими потенциалами происходят разряды, вызывающие сбои бортовой электронной аппаратуры и способствующие ухудшению характеристик оптических поверхностей, этот фактор выдвигает свои требования к электропроводности материала защиты;
- внешняя поверхность корпуса КО подвержена негативному воздействию атомарного кислорода, приводящему к деструктивным изменениям поверхности КО, что требует наличия в таком материале защитного слоя;
- терморегулирующий материал должен хорошо работать на «надрыв», т.е. обладать необходимой прочностью;
- еще одним важным свойством должен обладать материал защиты КО - он должен быть легким, т.к. любое увеличение массы уменьшает вес доставляемого на орбиту полезного груза.
- важным требованием к защитному материалу является его гибкость, податливость, т.к. корпус КО имеет сложную конфигурацию;
- терморегулирующее покрытие, используемое в космическом пространстве в условиях вакуума не должно «пылить» и обладать газовыделением, что недопустимо для оптических бортовых устройств.
Известна слоистая оболочка для обеспечения тепловой и электростатической защиты по патенту России № 2087392 (МПК: B64G, 1/58), состоящая из электропроводящего слоя полупроводника (например, германия) толщиной 5 25·10-8 м, терморегулирующего слоя, подложки полиимидной пленки, промежуточного слоя полиамидной сетки (которая может быть пропитана эпоксидной смолой и вулканизирована), прикрепленной к подложке, и термоотражающего покрытия из полимерного пленочного материала на основе кремния или поливинилфторида.
Недостатками этого покрытия являются легкая повреждаемость тонкого поверхностного слоя при монтаже, недостаточная отражающая способность, а также жесткость, которая не позволяет его применять для КО сложной конфигурации.
Известно многослойное покрытие для работы при криогенных температурах и/или в условиях аэродинамического нагрева по патенту РФ № 2298480 (МПК: B64G, 1/58), состоящее из металлической оболочки, антикоррозионного слоя, амортизационного слоя, теплоизоляционного слоя в виде пенопласта, который закреплен сетью с помощью клея, и антистатического покрытия.
Основными недостатками этого покрытия являются очень большой вес и недостаточно высокие теплоизоляционные свойства.
Известен многослойный материал для термического контроля по патенту Великобритании № 2062189 (МПК: B64G, 1/58), состоящий из внутреннего и внешнего термически изолирующих слоев, которые могут быть изготовлены гибкими из пластика или жесткими из стекла и промежуточного электропроводящего слоя алюминия или серебра. С внутренней стороны может находиться второй электропроводящий слой из алюминия или серебра.
Недостатки этого материала - низкая прочность, повреждаемость, неудовлетворительные оптические характеристики.
Известен многослойный материал, состоящий из металлических (не менее двух) и полимерных слоев, содержащий подслой из двух металлических слоев и полимера, усиленного волокнами, описанный в международной заявке (РСТ) WO 2007/061304 (МПК: B64G, 1/58).
Недостатками этого материала являются очень большой вес и недостаточно высокие термоизоляционные свойства из-за плотного контакта слоев металла и полимера, неудовлетворительные оптические характеристики: высокие отражающие свойства, но низкая степень черноты.
Известна многослойная изоляция по патенту США № 7252890 (МПК: B64G, 1/58), состоящая из слоев металлизированного алюминием или серебром полимера (полиимида или полиэфира), между которыми расположены слои стекловолокна или нейлона, покрытая с верхней стороны ИК-излучающим материалом (кварц, стекло, нитрид или оксинитрид кремния), затем фотокаталитическим слоем оксида металла и с наружной стороны электропроводящим слоем оксида индия или олова.
Недостатками этого материала являются недостаточная прочность на надрыв при сшивке теплозащитных матов и легкая повреждаемость на истирание, загрязняемость наружного слоя при изготовлении и транспортировке космических аппаратов.
Известно многослойное покрытие для матов экранно-вакуумной теплоизоляции космических аппаратов по патенту России № 2269146 (МПК: B64G, 1/58), состоящее из подложки с прозрачным электропроводящим многослойным (2 и более слоев) покрытием на внешней поверхности и отражающим покрытием в виде пленки металла на тыльной поверхности.
Недостатки этого материала - очень низкая механическая прочность на надрыв, повреждаемость, загрязняемость.
Известно многослойное покрытие по патенту Франции № 2681078 (МПК: B64G, 1/58), содержащее полимерную подложку, на которую нанесен адгезионный слой с последующим нанесением металлического оптического слоя.
Основным недостатком данного аналога является высокая величина отношения коэффициента поглощения солнечного излучения получаемого покрытия к коэффициенту излучения (степени черноты) As/ =2 при требуемом отношении - менее 1,0 для терморегулирующих покрытий класса "солнечный отражатель".
Известно многослойное терморегулирующее покрытие класса «солнечный отражатель» по патенту РФ № 2168189 (МПК: B64G, 1/58), содержащее полимерную подложку с нанесенным на нее оптическим слоем с нитевидными или волокнистыми кристаллами оксида цинка с высокой отражательной способностью в интервале длин волн 0,3-2,4 µкм, при этом полимерная подложка выполнена эластичной.
Основными недостатками данного аналога являются малая стабильность оптических характеристик (обусловленная применением органического связующего) и малая электропроводность. При этом покрытие накапливает электростатический заряд под действием заряженных частиц, что приводит к возникновению электрических разрядов, вызывающих сбои в бортовой аппаратуре КО.
Известно покрытие по патенту США № 5400986 (МПК: B64G, 1/58), включающее тонкий диэлектрический лист, внешняя поверхность которого покрыта прозрачным электропроводным слоем, тыльная поверхность покрыта отражающим слоем, а торцевая поверхность листа покрыта электропроводным покрытием так, что по крайней мере частично перекрывает отражающий слой и электрически связан с внешним прозрачным электропроводным слоем, слой клеевого материала, преимущественно постоянной толщины, причем внешняя поверхность клеевого слоя больше, чем тыльная поверхность диэлектрического листа; клеевой слой фиксируется тыльной стороной к поверхности корпуса КО, а внешней поверхностью фиксирует тыльную сторону диэлектрического листа, при этом клеевой слой является электропроводным и электрически соединен с указанным покрытием торцов, для обеспечения пути протекания тока между внешней поверхностью указанного листа и внешней поверхностью корпуса КА через указанное покрытие торцов.
Недостатками этого решения являются хрупкость, жесткость, механическая непрочность на истирание, большой вес.
Известно терморегулирующее устройство по патенту США № 4618218 (МПК: B64G, 1/58), представляющее собой трехслойное покрытие, внешний слой которого выполнен из прозрачного (для заданных длин волн) электропроводного материала, например Ge; промежуточный - из твердого электролита с преимущественно ионной проводимостью, а внутренний - из серебра. В зависимости от разности потенциалов между внешним и внутренним слоями покрытие может поглощать или отражать излучение определенного диапазона длин волн.
Основными недостатками данного аналога являются: необходимость в источнике энергии и управляющей схеме; невозможность совмещения высокой излучательной способности и высокой отражательной способности в интервале длин волн 0,3-2,4 µкм. Rs (Rs=1-As), механическая непрочность на истирание.
Существует терморегулирующее покрытие по патенту США № 5296285 (МПК: B64G, 1/58), представляющее собой двухслойное покрытие, образованное путем создания первого слоя анодным окислением алюминиевой основы и нанесением второго верхнего слоя, состоящего из силикатного покрытия.
Относительная хрупкость, недостаточная эластичность, трудоемкость нанесения - основные недостатки этого покрытия, механическая непрочность на истирание.
Существует терморегулирующее покрытие по патенту РФ № 2356074 (МПК: B64G, 1/58), прикрепленное к внешней поверхности корпуса космического аппарата с помощью электропроводного клеевого слоя, содержащее подложку, выполненную в виде отдельных элементов из оптически прозрачного радиационно-стойкого материала, тыльная поверхность которой покрыта отражающим и защитным слоем, а на внешней поверхности расположено прозрачное электропроводное покрытие, покрывающее торцевые поверхности подложки и контактирующее с защитным слоем, при этом отдельные элементы подложки выполнены толщиной не менее 0,08 мм, электропроводное покрытие выполнено с электросопротивлением не менее 2 и не более 1·105 кОм/м2, а поверх защитного слоя нанесен адгезивный слой.
Недостатки - хрупкость, неэластичность, большой вес, механическая непрочность на истирание.
Известна экранно-вакуумная теплоизоляция космического аппарата с внешним комбинированным покрытием по патенту РФ № 2397926 (МПК: B64G, 1/58), состоящая из полимерной подложки, электропроводного слоя с износостойким слоем на внешней поверхности и отражающего слоя на внутренней поверхности. Изоляция содержит временный защитный слой на внешней поверхности и укрепляющую полимерную сетку на внутренней поверхности.
Недостатками этой теплоизоляции являются большая масса внешнего комбинированного покрытия (140 г/м2) недостаточная радиационная стойкость из-за использования клеевых композиций, недостаточная надежность вследствие недостаточной прочности приклеивания полимерной пленки, значительное газовыделение из разнородных материалов теплоизоляции, а также сильное коробление рабочей поверхности из-за неравномерной тепловой усадки разнородных материалов теплоизоляции.
Известна экранно-вакуумная теплоизоляция по а.с. 1840181 (МПК: B64G, 9/00), содержащая наружный и внутренний облицовочные слои и расположенные между ними экраны с односторонней металлизированной поверхностью, отделенные друг от друга сепараторами из низкотеплопроводного материала, в котором экраны ориентированы металлизированной поверхностью к внутреннему облицовочному слою.
Недостатком этого решения является низкая стойкость к электризации наружного облицовочного слоя, что приводит к возникновению электростатических разрядов на поверхности этого слоя.
В качестве прототипа заявленному решению принят материал по патенту РФ № 2344972 (МПК: B64G, 1/58) в котором, наружный облицовочный слой выполнен из диэлектрического тканого материала с плотностью плетения 0,34-0,7 г/см2 с вплетенными в продольном и поперечном направлениях электропроводящими нитями.
Недостатками прототипа являются большая масса, невозможность получить эффективную теплоизоляцию для приборов и агрегатов сложной конфигурации, низкая стойкость к электризации наружного облицовочного слоя, что приводит к возникновению электростатических разрядов на поверхности этого слоя, механическая непрочность на истирание.
Задачей изобретения является снижение массы материала, исключение электростатического разряда как в условиях эксплуатации, так и при проведении монтажно-сборочных работ, а также сохранение поверхностной проводимости вследствие отсутствия влияния на эти характеристики истирания и других механических воздействий в процессе проведения монтажно-сборочных работ, при одновременном сохранении оптических характеристик материала.
Эта задача решается тем, что в терморегулирующий материал, содержащий наружный облицовочный слой из тканого материала с вплетенными в продольном и поперечном направлениях электропроводящими нитями, в него введена подложка из металлизированной, по крайней мере, с одной - внутренней стороны, полиимидной пленки, при этом наружный облицовочный слой выполнен с вплетением электропроводящих нитей, полученных путем скрутки металлической проволоки толщиной 30-50 µкм с полимерной нитью линейной плотности 1.5-11 текс и переплетением с плотностью нитей 6-12/ см2 по утку и основе, причем между подложкой и облицовочным слоем введен термопластичный слой на основе полиимидов или полиэфиримидов или полиэфиров или полисульфонов.
На чертеже изображена конструкция предложенного материала, где:
1 - наружный облицовочный слой;
2 - комбинированные электропроводящие нити;
3 - полимерные нити;
4 - термопластичный слой;
5 - металлизированная подложка.
Предложенный материал состоит из наружного облицовочного слоя 1 выполненного из тканого материала по утку и основе из полимерных нитей 3 и комбинированных нитей электропроводящих нитей 2, полученных путем скрутки металлической проволоки толщиной 30-50 µкм с полимерной нитью линейной плотности 1.5-11 текс и переплетением с плотностью нитей 6-12/ см2 по утку и основе, кроме того, в материал введена металлизированная подложка 4, причем между подложкой 5 и облицовочным слоем 1 введен термопластичный слой 4 на основе полиимидов или полиэфиримидов или полиэфиров или полисульфонов, при этом подложка 5 может быть металлизирована как только с внутренней стороны, так и с обеих сторон.
Приведем примеры исполнения предложенного решения.
Пример 1
Для наружного облицовочного слоя вырабатывается ткань из двух типов нити: аримидной с линейной плотностью 6 текс и комбинированной крученой, состоящей из аримидной нити плотностью 6 текс и медной посеребренной проволоки толщиной 50 µкм.
При этом комбинированная нить располагается с шагом 8-10 мм по утку и основе, а плотность ткани составляет 12÷14 г/м2, что существенно меньше, чем в прототипе (340 г/м2), а значит существенно меньше в массе.
Ткань методом термической сварки приваривается с помощью пленочного термопластичного полиимида, например ПИ-ПК-200, толщиной 8-10 мм к металлизированной подложке из полиимидной пленки толщиной 12,5 µкм. С двухсторонним покрытием алюминием толщиной 500-700 А° и коэффициентом черноты 0,06.
Общая масса материала при этом составит всего 45÷55 г/м2, а масса прототипа равна 350-700 г/м2.
Для защиты от атомарного кислорода на наружный облицовочный слой может быть нанесен слой окиси индия или окиси кремния, например, вакуумным магнетронным способом.
Пример 2
Наружный облицовочный слой состоит из ткани, например, выработанной из монофиламентной полиэфирной нити линейной плотностью 1,6 текс и комбинированной крученой нити из полиэфирной нити плотностью 1,6 текс и кобальтовой проволоки толщиной 30 µкм, при этом шаг комбинированной нити по утку и основе - 8-10 µкм, а плотность ткани с ажурным плетением 8-10 г/м2.
Ткань приваривается к полиэтиимидной металлизированной пленке, толщина пленки 12,5 µкм.
В качестве термопластичного слоя для сварки используется пленка из полиэфирной смолы ТФ-55 или ТФ-60 толщиной 8-12 мкм.
Пленка может быть также сформирована на поверхности металлизированной ПЭТ-пленки из раствора смолы в метиленхлориде.
Суммарная масса материала составит 35-40 г/м2, что существенно меньше, чем у прототипа.
В предлагаемом материале исключена возможность появления электростатических разрядов, т.к. положение нитей в облицовочном слое фиксируется при сварке термопластичного слоя и, тем самым, исключается локальные пробои электростатических разрядов.
Предлагаемый материал существенно лучше работает на истирание, т.к. проволока значительно прочнее напыления металла (как у прототипа).
Оптические характеристики изобретения также лучше, чем у прототипа, за счет использования полимерной пленки малой толщины и разреженности ткани облицовочного слоя вследствие переплетения с плотностью нитей 6-12/ см2 по утку и основе. В видимом диапазоне коэффициент поглощения As=0,35-0,45, а степень черноты в ИК-диапазоне =0,7-0,85, что уменьшает температуру поверхности объекта, например, КО.
Класс B64G1/58 тепловая защита, например тепловые экраны
Класс B32B5/24 один из которых выполнен из волокон или нитей
Класс D02G3/12 нити, содержащие металлические мононити или полоски металлов