Материал: Исследования воздействия атомарного кислорода в верхней атмосфере Земли на материалы

Исследования воздействия атомарного кислорода в верхней атмосфере Земли на материалы

Содержание

Введение

1. Исследования воздействия атомарного кислорода в верхней атмосфере Земли на материалы

1.1 Атомарный кислород в верхней атмосфере Земли

1.2 Изучение воздействия атомарного кислорода на материалы в натурных и лабораторных условиях

1.3 Процесс химического распыления полимеров АК

1.4 Изменение свойств полимерных материалов при воздействии атомарного кислорода

1.5 Методы защиты полимерных материалов от разрушения плазменными потоками

2. Методика исследования воздействия атомарного кислорода на полимеры

2.1 Описание методики расчетов

2.2 Магнитоплазмодинамический ускоритель кислородной плазмы НИИЯФ МГУ

3. Результаты расчетов

3.1 Описание и сопоставление полученных данных с экспериментальными расчетами

3.2 Исследование роли распределения наполнителя в приповерхностном слое композита

3.3 Анализ защитных свойств наполнителя на основе данных по ослаблению потока АК

3.4 Исследование роли распределения наполнителя в объеме композита

Заключение

Введение

В интервале высот от 200-700 км атомарный кислород (АК) является основным компонентом верхней атмосферы Земли, воздействие которого приводит к сильному разрушению материалов внешних поверхностей космических аппаратов. При этом АК усиливает свою окислительную способность за счет дополнительной кинетической энергии атомов кислорода (около 5 эВ), вызванной орбитальной скоростью космического аппарата (КА) на орбите Земли. Эрозия материалов вызывается из-за влияния набегающего потока АК, в результате этого воздействия ухудшаются такие параметры как: механические, оптические, электрические и тепловые. Больше всего такому разрушающему воздействию подвергаются полимерные материалы, т.к. после химического взаимодействия кислорода образуются устойчивые летучие окислы, десорбирующиеся с поверхности КА. Для полимерных материалов (ПМ) толщина уносимого с поверхности слоя может достигать нескольких десятков и даже сотен микрометров в год [1].

Повышение стойкости полимеров к воздействию АК может быть достигнуто путем введения наночастиц в приповерхностные слои, устойчивых к воздействию потока АК [2,3]. К перспективным, функциональным и конструкционным материалам КА относят полимерные нанокомпозиты, которые имеют улучшенные механические, термические, радиационные и оптические характеристики. Долгий срок службы, безопасное функционирование КА зависит от стойкости используемых конструкционных и функциональных материалов к влиянию атомарного кислорода. Несмотря на все проведенные исследования и большой объем накопленных экспериментальных данных по изучению воздействия потока атомарного кислорода на полимерные материалы КА на сегодняшний день нет единой модели воздействия потока АК. Поиск и исследование материалов, стойких к эффектам AK в условиях долгого нахождения космических аппаратов на околоземной орбите, развитие новых материалов с лучшими особенностями и прогнозирование долгосрочной стабильности свойств КА есть главные задачи для создателей космической техники.

Актуальность темы выпускной квалификационной работы определяется тем, что решение вышеуказанных задач невозможно без дальнейших исследований процесса эрозии, не получая новые качественные и количественные данные по потере массы, изменениям рельефа поверхности и физико-механических свойств полимерных материалов при действии потока АК. химический распыление космический лабораторный

Целью моей работы явилось изучение и получение новых данных, сопоставление их с экспериментальными данными по влиянию воздействия потоков АК на полимерные материалы и выяснению их степени согласия с результатами расчетов.

Чтобы достичь поставленную цель были решены следующие задачи:

. изучены по литературным данным явления химического распыления материалов, определены параметры, характеризующие интенсивность процесса химического распыления;

. проведено ознакомление на основании рекомендованной литературы с основными космическими и лабораторными экспериментами, дающими информацию о процессе химического распыления материалов;

. изучены методики математического моделирования процесса химического распыления полимеров атомарным кислородом и лабораторного исследования этого явления;

. проведено компьютерное моделирование процесса эрозии поверхности типичных полимеров и композитов на их основе под действием атомарного кислорода;

. проведен лабораторный эксперимент по химическому распылению полимерного композита атомарным кислородом;

. сопоставлены расчетные и экспериментальные данные, проанализированы полученные результаты, сделаны практические выводы.

В данной работе для исследования количественных характеристик процесса эрозии полимерных материалов под действием АК использовалась математическая модель, созданная в НИИЯФ МГУ на основе экспериментальных данных [4].

Часть результатов данной выпускной квалификационной работы были опубликованы в сборниках и представлены на двух конференциях таких как: XVIII Межвузовской школы молодых специалистов "Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине" и ежегодной межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов имени Е.В. Арменского.

1. Исследования воздействия атомарного кислорода в верхней атмосфере Земли на материалы

.1 Атомарный кислород в верхней атмосфере Земли

Космические аппараты на околоземной орбите оказываются под влиянием целого комплекса факторов пространства, таких как: высокий вакуум, термоциклирование, потоков электронов и ионов высокой энергии, холодной и горячей космической плазмы, солнечного электромагнитного излучения, твердых частиц моделируемого происхождения [1]. Наибольшее влияние оказывает воздействие набегающего потока АК в верхней атмосфере Земли.

Атомарный кислород является основным компонентом атмосферы Земли в интервале высот от 300 до 500 км, его доля составляет ~ 80%. Доля молекул азота составляет ~ 20%, доля ионов кислорода ~ 0.01%.

До 100 км состав атмосферы слегка изменяется из-за ее турбулентного перемешивания, средняя масса молекул остается приблизительно постоянной: m = 4,83∙10-26 кг (М = 28,97). Начиная со 100 км, атмосфера начинает меняться, в частности, процесс диссоциации молекул О2 становится существенным, т.е. содержания атомарного кислорода увеличивается, а также происходит обогащение атмосферы легкими газами гелия, а на больших высотах - водорода из-за диффузионного разделения газов в гравитационном поле Земли (рис. 1. a, в).

Рис. 1 Распределение концентрации атмосферных составляющих

С высоты 100 км начинаются изменения состава атмосферы Земли, потому что происходит процесс увеличения содержания атомарного кислорода и начинается обогащение атмосферы легкими газами, таких как гелий, а набольших высотах - водород, за счет диффузионнoго разделения газов в гравитационном поле Земли (рис.1 а, б) [1]. В формировании высотных распределений нейтральных и заряженных частиц верхней атмосферы большую роль играют также разнообразные ионно-молекулярные реакции, протекающие в газовой фазе.

Таблица 1 - Энергия ионизации, диссоциации и возбуждения основных атмосферных составляющих

Процессы диссоциации и ионизации атмосферных составляющих происходят главным образом под действием коротковолнового электромагнитного излучения Солнца. В табл. 1 приведены значения энергии ионизации Ei и диссоциации Ed наиболее важных атмосферных составляющих с указанием соответствующих этим энергиям длин волн солнечного излучения λi и λd. Там же приведены значения энергии возбуждения Eex различных состояний для молекул O2 и атомов O и N.

Ниже можно посмотреть данные о распределении энергии в солнечном спектре, которые показаны в таблице 2. в которой для разных спектральных интервалов приведены абсолютные и относительные значения плотности потока энергии, а также значения энергии квантов излучения, определяемые соотношением ε [эВ] = 1240/λ [нм] (1 эВ = 1,6⋅10−19 Дж).

Таблица 2 - Энергетическое распределение плотности потока в диапазоне солнечного света

Суммарная энергетическая плотность потока солнечного света в районе Земли делает 1,4⋅103 Дж⋅с-1⋅м-2. Такое значение называют солнечным постоянным. Приблизительно 9% энергии в солнечном спектре являются долей ультрафиолетовой радиации (УФ) с длиной волны λ = 10-400 нм. Остаточная энергия разделяет приблизительно одинаково между видимым (400-760 нм) и инфракрасными пределами спектра (760-5000нм). Плотность потока солнечного света в области рентгена (0,1-10 нм) является очень маленьким ~ 5⋅10-4 Дж⋅с-1⋅м-2 и сильно зависит на уровне солнечной активности.

В видимых и инфракрасных областях диапазон Солнца близко к радиационному спектру абсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца, фотосферы. В ультрафиолетовом и областях рентгена диапазон Солнца описан другой регулярностью, когда радиация этих областей прибывает из хромосферы (T ~ 104 K) расположенный по фотосфере и короне (T ~ 106 K), Внешний конверт Солнца. В коротковолновой части диапазона Солнца на непрерывном спектре много отдельных линий, самой интенсивной из которых является линия водорода Lα, наложены (λ = 121,6 нм). С шириной этой линии приблизительно 0,1 нм это соответствует плотности потока излучения ~ 5⋅10-3 Дж⋅м-2⋅с-1. Интенсивность излучения в линии Lβ (λ = 102,6 нм) примерно в 100 раз меньше. Показанные на рис. 1, высотные распределения концентрации составляющих атмосферы соответствуют среднему уровню солнечной и геомагнитной активности.

Распределение концентрации атомарного кислорода по высоте показано в таблице. 3 [1].

Таблица 3 - Высотное распределение концентрации

Границы высотного диапазона и концентрация АК в ее пределах сильно зависят от уровня солнечной активности. Зависимость концентрации атомарного кислорода на высоте для среднего числа, минимальные и максимальные уровни даны на рисунке. 2, и на рисунке. 3 видны изменения годового флюенса атомарного кислорода с высотой 400 км во время цикла солнечной активности [1,5].

Рис. 2 Зависимость концентрации АК от высоты для различных уровней солнечной активности

Рис. 3 Изменение годового флюенса потока АК в течение цикла солнечной активности

Для ориентировочных оценок можно считать, что при таких условиях годовой флюенс атомов кислорода, т. е. суммарное число атомов, упавших на единичную площадку, в диапазоне высот 200−1000 км составляет от 1023 до 1018 cм−2 [1].

Расчетный годовой флюенс атомарного кислорода для ОС ≪Мир≫ показаны в таблице 4 (350 км; 51,6o) на 1995-1999 [6].

Таблица 4 - Годовые значения флюенса

1995

1996

1997

1998

1999

Годовой флюенс 10 22 см-2

1.46

1.22

0.91

0.67

0.80

1.2 Процесс химического распыления полимеров АК

Распыление материалов может происходить за счет двух процессов - физического распыления и химического распыления. Физическое распыление материалов - процесс почти упругого выбивания атома с поверхности мишени, где происходит квазипарное взаимодействие. В результате некоторые атомы вещества приобретают энергию, превышающую энергию связи поверхностных атомов и покидают мишень, это явление пороговое. Особенностью физического распыления является наличие энергетического порога, ниже которого разрушение материалов практически отсутствует. В нашей работе мы будем изучать химическое распыление полимеров. Это процесс травления, эрозии материалов, который возникает, если налетающие атомы взаимодействуют с атомами мишени сообразованием на поверхности летучих соединений, которые могут десорбироваться с поверхности, приводя к потере массы материала [7].

На рис. 4 представлены результаты лабораторных измерений коэффициентов распыления ионами кислорода с энергиями 20−150 эВ углерода (две верхние кривые) и нержавеющей стали (нижние кривые), а также данные о распылении углерода (графита), полученные на космическом корабле Space Shuttle (светлый кружок).