Разработка научных основ создания высокоэффективных радиационно-защитных полимерных композитов с самовосстанавливающимися свойствами для космических систем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-79-10033

НазваниеРазработка научных основ создания высокоэффективных радиационно-защитных полимерных композитов с самовосстанавливающимися свойствами для космических систем

Руководитель Черкашина Наталья Игоревна, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова" , Белгородская обл

Конкурс №98 - Конкурс 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-505 - Физико-химические и радиационные проблемы материаловедения

Ключевые слова самовосстанавливающиеся материалы, залечивание, полимерный композит, микрокапсулы, катализатор, космическое излучение, электронное излучение, протонное излучение, гамма-излучение, термоциклирование, микрометеоритные частицы, радиационная защита, оксид висмута, термопластичные полимеры, реактопластичные полимеры

Код ГРНТИ58.35.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Контакт с микрометеороидами и орбитальным мусором или другими острыми предметами может привести к разгерметизации космической конструкции в результате создания проколов или порезов оболочки конструкции. Кроме того, в результате ударов образуются новые обломки, а другие факторы, такие как УФ-излучение, заряженные частицы или термические циклы, могут усугубить степень ущерба. Эти проблемы могут быть решены за счет внедрения самовосстанавливающихся материалов в композитные конструкции, используемые как для защиты космического корабля от ударов и других повреждающих событий, так и для защиты космонавтов от опасностей космической среды, что позволяет сохранить структурную целостность и продлить срок эксплуатации космического корабля. Анализ литературных данных по космическим материалам для защиты элементов конструкции и космонавтов от негативного воздействия космоса, в особенности радиации, показал, что исследователи не уделяли особого внимания самовосстанавливающимся материалам при разработке радиационно-защитных материалов космического назначения. А самовосстанавливающиеся материалы для космических целей испытывали только на механические повреждения, но не учитывали совокупное воздействие на них механических повреждений и радиации. Что касается второго аспекта, то эта комбинация может поставить под угрозу эффективность самовосстановления, поскольку она может значительно увеличить время и снизить эффективность восстановления от удара. Реализация данного проекта направлена на разработку научных основ создания высокоэффективных радиационно-защитных полимерных композитов с самовосстанавливающимися свойствами для космических систем. В работе планируется изучить вопросы возможного радиационно-индуцированного ухудшения характеристик самовосстанавливающихся материалов в космосе. Будет исследована возможность введения микро и/или нанокапсул с залечивающим составом как в радиационно-защитные композиты на основе реактопластичных полимеров (эпоксидные смолы, силиконовые смолы), так и в композиты на основе термопластичных полимеров (полиэтилен, полиимид, фторопласт). Необходимо будет подобрать такие микро и/или нанокапсулы для получения самовосстанавливающихся и самозалечивающихся материалов, которые будут устойчивы к растворителям, температурным и механическим нагрузкам. Во время производственных процессов (особенно высокоскоростного диспергирования полимерной матрицы и радиационно-защитного наполнителя) капсула обязана сохранять свою целостность. В то же время микрокапсула должна разрушаться (разрываться) при механическом повреждении внутри полимерного композита и высвобождать достаточное количество сшивающего агента. В качестве капсул планируется использовать различные олигомеры, которые хорошо зарекомендовали себя в качестве материала для залечивания трещин, такие как: дициклопентадиен и другие полимерные смолы. В качестве оболочки микрокапсулы будет использован карбамидоформальдегид. Решение поставленной в работе конкретной задачи неразрывно связано с проведением комплекса исследований по изучению воздействия негативных факторов космического пространства на самовосстанавливающиеся свойства радиационно-защитных полимерных композитов. Необходимо изучить воздействие следующих факторов на степень восстановления композитов от механических воздействий: глубокого вакуума, вакуумного ультрафиолета, потока низко- и высокоэнергетических электронов, протонов, гамма-излучения и термоциклирования в диапазоне от -150 до +150 °С. Будут исследованы процессы возможного радиационно-индуцированного ухудшения характеристик самовосстанавливающихся материалов в условиях, имитирующих нахождение в космическом пространстве.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Результатом проделанной работы является успешный синтез микрокапсул на основе карбамидформальдегидной оболочки, наполненых дициклопентадиеном (ДЦПД). Микроскопический анализ полученного продукта показал отсутствие повреждений, а также то, что микрокапсулы имеют сплошную сферическую оболочку. РЭМ-изображения подтвердили данные, полученные на оптическом микроскопе, а также результаты гранулометрического анализа. Анализ гранулометрического состава продукта синтеза показал, что преобладающая фракция микрокапсул имеет размеры ~100 мкм. Сравнительный анализ кривых дифференциальной сканирующей калориметрии микрокапсул без и с наполнением ДЦПД показал, что меньшее значение теплового потока около 100 ℃ связано не только с фазовым переходом микрокапсул, но и с увеличением скорости испарения ДЦПД. Снижение пика теплового потока около 250 ℃ связано с тем, что помимо плавления оболочки капсул происходит неполное выделение ДЦПД из капсул и его испарение. Снижение пика около 275 ℃ и увеличение его полуширины связано с последующим одновременным горением гетерогенной системы ДЦПД и карбамидформальдегидной смолы. Установлено, что при помощи катализаторов Граббса проведение метатезисной реакции полимеризации ДЦПД сложно регулировать, поэтому оптимальным является использование каталитической системы на основе гексахлорида вольфрама VI. Данный выбор также обоснован тем, что его несложно синтезировать даже в лабораторных условиях. Установлена возможность синтеза радиационно-защитных материалов на основе эпоксидной смолы и оксида висмута в различных пропорциях. Разработана технология изготовления самозалечивающихся композитных материалов на основе эпоксидной смолы с оксидом висмута. Получены результаты по эффективности самовосстановления композита на основе эпоксидной смолы и оксида висмута при имитационном воздействии микрометеоритных частиц. Установлена возможность синтеза радиационно-защитных материалов на основе силиконовой смолы и оксида висмута. Экспериментально определено, что прочность при растяжении композитов с добавкой оксида висмута сравнима с бездобавочным образцом. Разработана технология изготовления самозалечивающихся композитных материалов на основе силиконовой смолы и оксида висмута. Получены результаты по эффективности самовосстановления композита на основе силиконовой смолы и оксида висмута при имитационном воздействии микрометеоритных частиц. Установлена возможность синтеза радиационно-защитных материалов на основе полиэтилена и оксида висмута. Определено оптимальное количество наполнителя (оксида висмута) в композите на основе полиэтилена. Совместный криогенный помол исходных материалов способствует их лучшему распределению в полимерной матрице. Анализ результатов определения прочности при изгибе показал, что добавка к полимерной матрице оксида висмута приводит к значительному падению прочности, однако, композит сохраняет достаточную конструкционную прочность. Анализ термограммы композита показал, что материал сохраняет свою целостность до 250 ℃. Это подтверждает его перспективность для применения в условиях высоких тепловых нагрузок, например, в космических технологиях. Синтезировать самозалечивающиеся материалы на основе полиэтилена высокого давления (ПВД) и карбамид-формальдегидных микрокапсул не удалось, так как криогенный помол сырья приводит к деструкции капсул, что подтверждается микроскопическим анализом. Установлена возможность синтеза радиационно-защитных материалов на основе фторопласта и оксида висмута. Анализ СЭМ-изображений композитов показал, что использование криогенного помола целесообразно для равномерного распределения наполнителя в матрице полимера. Анализ результатов определения прочности при изгибе синтезированных образцов показал, что наибольшей прочностью обладает бездобавочный материал, однако, композиты с добавкой оксида висмута показали сопоставимые значения. Разработать самозалечивающиеся материалы на основе фторопласта и карбамид-формальдегидных микрокапсул не удалось. Самозалечивающиеся материалы на основе фторопласта синтезировать не удалось, так как при разработке фторопластовых композитов необходимо спекание в течение 3 часов при 350 ℃, а согласно термограмме микрокапсул, их деструкция начинается уже при 257 ℃ с выделением летучих веществ. Таким образом, была установлена возможность получения радиационно-защитных самовосстанавливающихся композитов на основе реактопластичных полимеров (эпоксидная и силиконовая смола). Дальнейшие исследования будут направлены на исследования радиационно-индуцированного ухудшения характеристик разработанных самовосстанавливающихся материалов после воздействия имитирующих факторов космического пространства, таких как: глубокий вакуум, вакуумный ультрафиолет и протонное облучение.

Публикации

1. Черкашина Н.И., Павленко В.И., Ручий А.Ю., Серебряков С.В., Баринов Р.А. Synthesis of self-healing microcapsules based on dicyclopentadiene Nanotechnologies in construction, Vol. 17(2), P. 189–200. (год публикации - 2025)
10.15828/2075-8545-2025-17-2-189-200

2. Черкашина Н. И., Павленко В. И., Денисова Л. В., Ручий А. Ю., Романюк Д. С., Носков А. В., Баринов Р. А. Исследование защитных свойств полимерных композитов с оксидом висмута по отношению к гамма-излучению Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (год публикации - 2025)

3. Рыжих (Синебок) Д.А., Пушкарская Д.В., Ручий А.Ю., Серебряков С.В., научный руководитель: Черкашина Н.И. Самозалечивающие капсулы для полимерных композитов Сборник трудов XVI Международного молодёжного форума «Образование. Наука. Производство», г. Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 30–31 октября 2024 г. , Т. 20, С. 91-95. (год публикации - 2024)

4. Черкашина Н.И., Ручий А.Ю., Серебряков С.В., Сидельников Р.В. Синтез микрокапсул для полимерных композиций Сборник трудов I Международной VII Всероссийской конференция «Химия и химическая технология: достижения и перспективы», г. Кемерово, КузГТУ, 27–29 ноября 2024 г., 0238 (год публикации - 2024)

5. Павленко В.И. , Кашибадзе В.В. , Носков А.В. , Сидельников Р.В. , Рыжих Д.А., Серебряков С.В. Radiation-thermal modification of fluoroplastic composite and evaluation of its radiation-protective characteristics Materials Chemistry and Physics, Vol. 330, 130162 (год публикации - 2025)
10.1016/j.matchemphys.2024.130162