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

Рис.18 Зависимости площади выбитых ячеек полимера от угла падения: а - для многократного рассеивания; б - для однократного рассеивания.

Устойчивые к воздействию АК наполнителей полимерных композитов, значительно уменьшают потерю массы материала под воздействием атомарного кислорода, в то время как эффективность процесса эрозии уменьшается с уменьшением размера частиц наполнителя и повышением однородности их распределения в полимерной матрице.

Графики зависимости площади растравленных ячеек полимера от угла падения частиц АК при однократном и многократном рассеянии имеют схожий вид. Уменьшение угла падения частиц АК относительно нормали приводит к уменьшению количества растравленного полимера. Это можно объяснить тем, что при уменьшении угла падения АК большая часть частиц АК выбывает из расчета в результате взаимодействия с защитным наполнителем. Влияние на устойчивость полимера к АК зависит от распределения частиц наполнителя, то есть чем больше диаметр частиц наполнителя, тем больше площадь удаленных ячеек полимера

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

По мере проникновения атомов кислорода в толщу мишени происходит уменьшение величины их потока за счет взаимодействия с материалом. На рис 19 приведены зависимости, характеризующие уменьшение потока АК на разных глубинах от поверхности мишени для полимерного материала без наполнителя и с наполнителем различного диаметра. Уменьшение потока происходит за счет взаимодействия АК с ячейками полимера и наполнителя, а также за счет рассеяния и отражения АК в обратном направлении. В данном случае расчет произведен для нормального падения атомов кислорода на мишень с многократным рассеянием АК на полимере.

Рис.19 Зависимости уменьшения потока АК на разных глубинах от поверхности мишени для полимерного материала без наполнителя и с наполнителем различного диаметра.

Для модели композита с частицами наполнителя диаметром 3.56 мкм проведен аналогичный расчет при различных углах падения потока АК на поверхность (рис 20). Частицы защитного наполнителя расположены на глубине 0 - 10 мкм. На графиках, показанных на рис. 20, этой области соответствует более быстрое уменьшение относительного потока АК. С увеличением угла падения АК на мишень растет эффективная суммарная площадь частиц наполнителя, что приводит к более быстрому уменьшению относительного потока АК.

Рис. 20 Зависимости уменьшения потока АК на разных глубинах при различных углах падения на поверхность.

.4 Исследование роли распределения наполнителя в объеме композита

В этом разделе мы исследовали, как влияет распределение наполнителя по объему композита. Сделали несколько моделей, которые различаются диаметрами частиц наполнителя и порядком их расположения. Для осуществления расчетов брали диаметр частиц наполнителя, который равен 3.0 мкм моделей 6,7 и 3.56 мкм моделей 8, 9. Существуют два варианта расположения частиц наполнителя - равномерный, где расположение частиц наполнителя имеют шахматный порядок и неравномерный, где частицы друг под другом. Пример расчетов результата воздействия потока АК на композиты с различным расположением частиц наполнителя в объеме показан на рис.21.

Рис.21 Результаты моделирования процесса эрозии композитов с различным расположением частиц наполнителя в объеме композита: а, б - диаметр частиц наполнителя 3.0 мкм; в, г-3.56 мкм.

На рисунке 21 профили б и г более устойчивы к воздействию потока АК это связано с тем, что у них расположение частиц наполнителя равномерное, т.е. имеют шахматный порядок. А профили а и в менее устойчивы к воздействию потока, т.к. имеют неравномерное распределение расположения частиц наполнителя, которые расположены друг под другом. При равномерном расположении частиц наполнителя видно, что растравленных участков полимера намного меньше, чем при неравномерном расположении частиц. Далее рассчитали зависимость удаленных ячеек полимера от угла падения частиц АК при различных распределениях наполнителя по объему композита, которую можно посмотреть на рис. 22.

Рис.22 Зависимости площади выбитых ячеек от угла падения: а - модель 6,7 D= 3.0 мкм; б - модель 8, 9 D= 3.56 мкм

На рисунке 22 а, б графики равномерного распределения частиц наполнителя для моделей 6 и 9 наиболее устойчивые к воздействию атомарного кислорода, т.к. при одинаковых углах падений частиц АК площадь выбитых ячеек намного меньше, чем у неравномерного распределения частиц наполнителя моделей 7 и 8.

Модель 6

Модель 7

Модель 8

Модель 9

Рис.23. Зависимость площади удаленных ячеек полимера от количества укрупненных частиц атомарного кислорода с учетом отражения АК от частиц наполнителя композита при равномерном и неравномерном распределении наполнителя, диаметр наполнителя модели 6, 7 равен 4.6 мкм, модели 8,9 равен 3.24 мкм.

На рис. 23 зависимость площади удаленных ячеек полимера от количества укрупненных частиц атомарного кислорода модели 6, показывает с какой «скоростью» происходит растравливание полимера при различных углах падения частиц кислорода и при разной равномерности распределения наполнителя. Видно, что при 90 градусов зависимость практически линейная, то есть с увеличением количества частиц АК в расчете будет происходить дальнейшее разрушение материала. При других углах падения скорость растравливания постепенно уменьшается с ростом количества частиц АК. А для самого равномерного распределения (модель 9) даже при 90 градусах полимер хорошо защищен, т.е. медленно разрушается.

Заключение

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

. изучили по литературным данным явления химического распыления материалов, определили параметры, характеризующие интенсивность процесса химического распыления;

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

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

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

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

. сопоставили расчетные и экспериментальные данные, проанализировали полученные результаты, сделали практические выводы.