Космические летательные аппараты работают в очень жестких условиях эксплуатации — высокий вакуум, радиационная нагрузка, широкий диапазон температур с резкими перепадами. Материалы, из которых они изготавливаются, должны быть очень прочными — чтобы выдержать перегрузки при старте. На сегодняшний день рекордсменом по удельной прочности и жесткости являются углепластики.

Углепластик состоит из двух материалов: армирующего углеродного волокна и полимерной матрицы (связующего). Прочностные характеристики материала на растяжение обеспечиваются в основном за счет углеволокна. За остальные механические параметры, такие как прочность на сжатие и сдвиг, в основном отвечает связующее. Именно поэтому качество связующего критически важно. В последние годы наилучшие параметры углепластиков обеспечивало цианат-эфирное связующее. Углепластики на основе этого полимера, производящегося в США и Англии, широко применяются в космической отрасли за рубежом, но в Россию сегодня не поставляются.

«Один из лучших на сегодняшний день вариантов связующего для композитных материалов — цианат-эфирные связующие, — комментирует директор «Синтез-проект», научный сотрудник НИИКАМ, кандидат химических наук Илья Вихров. — Этот уникальный класс полимеров обладает лучшими, чем у эпоксидной смолы, параметрами жесткости и трещиностойкости. «Синтез-проект» организовал разработку и выпуск собственного олигоциануратного связующего для композитных материалов космического назначения».

Поскольку долговечность работы космических летательных аппаратов на орбите в значительной степени определяется радиационной стойкостью их конструкционных материалов и оборудования, специалистам «Синтез-проект» нужно было определить максимальную дозу радиации, при которой цианат-эфирное связующее и композитные материалы на его основе будут сохранять свои свойства. Один из немногих в России научно-исследовательских институтов, способных провести подобные исследования и набрать сверхвысокую дозу радиации — ИЯФ СО РАН.

«На протяжении десятилетий для различных экспериментальных работ, в том числе для изучения новых радиационных процессов и разработки технологий, а также для исследований радиационной стойкости композитных материалов, в ИЯФ СО РАН используется ускоритель электронов ИЛУ-6, — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат технических наук Михаил Коробейников. — Мы провели испытания радиационной стойкости четырех типов образцов: собственно эпоксидного и цианат-эфирного связующих, стеклопластика и углепластика на основе цианат-эфирного связующего. Исследования проводились при дозах 10, 20, 50, 100, 200, 500 МГр. Набор дозы 500 МГр потребовал работы в течение месяца. Температура образцов в процессе обработки не превышала 55°С. Размеры всех образцов были 10502 мм — стандартные для измерения механических параметров материалов».

Значения модуля упругости и предела прочности при статическом изгибе у образцов определялись по стандартным методикам после набора заданных доз.

Было установлено, что остаточная прочность эпоксидного связующего после набора дозы 50 МГр падает до 80% от первоначального значения, после чего начинает резко снижаться. Остаточная прочность олигоциануратного связующего, разработанного «Синтез-проект», существенно падает только после набора дозы 200 МГр — до 60%. Несмотря на потерю прочности собственно цианат-эфирного связующего при дозах свыше 200 МГр, механические параметры углепластика с этим связующим остаются неизменными вплоть до дозы 500 МГр, стеклопластик с тем же связующим после набора такой высокой дозы сохранил 70% от исходной прочности.

Эта доза (500 МГр) на два порядка превышает дозу, набираемую космическими летательными аппаратами в реальных условиях. Для примера, работающий на геостационарной орбите аппарат в течение 15 лет набирает дозу порядка 3 МГр. Работа со сверхвысокими дозами интересна и важна для изучения поведения конструкционных материалов в условиях длительной работы при повышенном радиационном фоне, например, в ускорительных установках нового поколения. По словам Ильи Вихрова, результаты исследования показали, что композитные материалы на основе цианат-эфирного связующего, разработанного и выпускаемого в «Синтез-проект», соответствуют требованиям авиакосмической отрасли. Также эти композитные материалы могут найти применение в других областях, где оборудование подвергается большим радиационным нагрузкам, например, в атомной промышленности, в физике высоких энергий.

ИЯФ СО РАН и «Синтез-проект» планируют продолжить эти исследования. Одно из интересных направлений работ — изучение возможностей электронно-лучевой обработки для отверждения отечественного цианат-эфирного связующего. Это позволит повысить качество композитного материала и ускорить процесс превращения жидкого связующего и армирующего материала в единое целое. Эта задача актуальна для крупносерийного производства.

http://www.inp.nsk.su/press/novosti/2415-rossijskie-fiziki-proveli-ispytaniya-radiatsionnoj-stojkosti-otechestvennykh-kompozitnykh-materialov-dlya-kosmicheskikh-letatelnykh-apparatov

http://irbiscorp.spsl.nsc.ru/fulltext/WORKS/2017/%D0%A0%D0%A4%D0%A2%D0%A2_32-40.pdf