​Космическая и авиационная техника, оборудование атомных электростанций, равно как и большие физические установки, в частности ускорительные комплексы, работают в жестких условиях эксплуатации. Использование композитных материалов для изготовления несущих конструкций и оборудования позволяет существенно уменьшить их вес при сохранении требуемых прочностных свойств.

Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели сравнительные исследования радиационной стойкости широко используемой эпоксидной смолы и разработанных в ООО «Синтез-проект» (входит в группу компаний Научно-исследовательского института космических и авиационных материалов (НИИКАМ)) олигоциануратного (цианат-эфирного) связующего и композитных материалов на его основе. В результате исследований было показано, что радиационная стойкость олигоциануратного связующего в 4–5 раз выше, чем у эпоксидных смол традиционно используемых для изготовления электроизоляции фокусирующих, корректирующих и отклоняющих электромагнитов ускорителей и ускорительных комплексов.

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.

2 

«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 10*50*2 мм – стандартные для измерения механических параметров материалов».

Цианатэфирный углепластиковый сотовый заполнитель для сэндвич панелей производства НИИКАМ 

Цианат-эфирный углепластиковый сотовый заполнитель для сэндвич-панелей производства НИИКАМ. Фото предоставлено НИИКАМ.

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.

Источники

Российские физики провели испытания радиационной стойкости отечественных композитных материалов для космических летательных аппаратов
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 19/06/2019
Физики испытали радиационную стойкость отечественных композитов для космических летательных аппаратов
Наука в Сибири (sbras.info), 19/06/2019
Углепластик для космоса
Академгородок (academcity.org), 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
Margust (gazeta-margust.ru), 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
РИА Новости, 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
Profi-news.ru, 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
Новости@Rambler.ru, 19/06/2019
Российские физики провели испытания радиационной стойкости отечественных композитных материалов для космических летательных аппаратов
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 20/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
Lenta-7day.ru, 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
Все о космосе (aboutspacejornal.net), 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
Novosibirsk.4geo.ru, 19/06/2019
Российские физики назвали лучший материал для обшивки спутников
Курские известия (kursk-izvestia.ru), 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
3news.ru, 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
Novostival.ru, 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
Новости России и Мира (novostidny.ru), 19/06/2019
Ядерный тест. Прочность космических материалов проверили радиацией
Поиск (poisknews.ru), 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников - новости на сегодня 19.06.2019
News2world.net, 19/06/2019
Сибирские физики назвали лучший материал для обшивок спутников
Новосибирские новости (nscn.ru), 19/06/2019
Новосибирские физики испытали защиту для космических аппаратов
Российская газета (rg.ru), 19/06/2019
Новосибирские физики испытали защиту для космических аппаратов
Курские известия (kursk-izvestia.ru), 19/06/2019
Новосибирские физики испытали защиту для космических аппаратов
Новости@Rambler.ru, 19/06/2019
Российские физики провели испытания радиационной стойкости отечественных композитных материалов для космических летательных аппаратов
SMIonline (so-l.ru), 20/06/2019
Новосибирские физики испытали защиту для космических аппаратов
The world news (theworldnews.net), 19/06/2019
Ученые ИЯФ СО РАН проверяют радиационную стойкость материалов для космоса и авиации
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 19/06/2019
В Новосибирске создали новый материал для космических аппаратов
ИА Flashsiberia, 20/06/2019
В России создан перспективный материал для космических аппаратов
Новосибирские новости (nscn.ru), 20/06/2019
Импортозамещение для космоса
Честное слово (chslovo.com), 26/06/2019
В ИЯФ СО РАН испытали радиационную стойкость композитов для космической техники
Научная Россия (scientificrussia.ru), 12/07/2019
В ИЯФ СО РАН испытали радиационную стойкость композитов для космической техники
1k.com.ua, 12/07/2019
Российские физики провели испытания радиационной стойкости отечественных композитных материалов для космических летательных аппаратов
Nanonewsnet.ru, 16/07/2019
Российские физики провели испытания радиационной стойкости отечественных композитных материалов для космических летательных аппаратов
ИА ИНВУР (invur.ru), 17/07/2019

Похожие новости

  • 27/03/2017

    Новосибирские ученые создали материал, обеспечивающий 30 лет непрерывной работы химического реактора

    Ученые из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) создали новую технологию сплавления титана и тантала, в результате чего получили особо стойкий к коррозии и агрессивным средам материал.
    2052
  • 25/06/2019

    Что даст Новосибирску СКИФ?

    ​Новосибирск входит в эпоху крупных инфраструктурных проектов. В ближайщей пятилетке развития — строительство ЛДС к молодёжному чемпионату и проект Академгородок 2.0. Индекс «2.
    260
  • 29/12/2017

    Области человеческих деятельности, в которых Россия входит в пятёрку лучших

    ​1. Сельское хозяйство. В 2010-е гг. Россия вернула себе позицию крупнейшего сельхозэкспортёра в мире, которую она занимала ещё в начале XX века. При этом Россия занимает лишь четвёртое место в мире по площади обрабатываемых сельхозземель.
    1157
  • 25/05/2018

    Фокусирующий аэрогель поможет распознать частицы в экспериментах на будущем новосибирском коллайдере

    ​Ученые Института ядерной физики им Г.И. Будкера СО РАН разработали проект системы идентификации частиц для экспериментов на будущем новосибирском коллайдере - Супер С-Тау фабрике. Это одна из ключевых систем планируемой установки, она позволит с высокой надежностью определять типы рождающихся в эксперименте частиц.
    705
  • 30/08/2018

    Новосибирские ученые знают, как разбить древность на атомы

    Озера, древние книги, иконы, кости мамонтовой фауны или доисторического человека, деревянные колоды из погребений и даже болотный торф - все эти объекты можно точно датировать, определить время их создания, появления на свет или, если речь идет о живом существе, период обитания на Земле.
    613
  • 16/10/2017

    Пассажиров аэропорта Дели проверяет техника, разработанная учеными ИЯФ СО РАН

    Система рентгенографических сканеров Express Inspection, совместной разработкой которых занимался Новосибирский Институт ядерной физики им Г. И. Будкера СО РАН и Орловский завод «Научприбор», проходит апробацию в Индии.
    917
  • 26/01/2019

    Как ученые ищут темную материю в недрах Земли

    Сотни миллионов лет назад минералы под земной поверхностью могли сохранять в себе следы загадочного вещества. Осталось только до них добраться. ​Больше двух десятков подземных лабораторий, разбросанных по всему миру, заняты поиском темной материи.
    625
  • 15/08/2019

    Эксперимент Belle II пройдет с участием ученых Академгородка

    ​Эксперимент Belle II — это один из экспериментов в физике высоких энергий, работающий на передовых рубежах современной науки. Данные, полученные в результате эксперимента, позволят проверить предсказания Стандартной модели для вероятностей редких распадах B- и D-мезонов и t-лептона, улучшить точность измерения параметров нарушения симметрии между веществом и антивеществом и, возможно, обнаружить проявления новой физики.
    166
  • 17/09/2018

    Большой адронный коллайдер и фундаментальные вопросы науки

    Россия пока не получила ни одного заказа при модернизации Большого адронного коллайдера, хотя раньше без нее ЦЕРН обойтись в принципе не мог. Ровно десять лет назад в Европейской лаборатории ядерных исследований (ЦЕРН) был запущен Большой адронный коллайдер.
    1038
  • 28/02/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D).
    599