Bezbojna tekućina s inherentnim metalnim okusom koja se koristi za čišćenje raznih rana i oštećenja od virusnih mikroorganizama koji mogu unijeti infekciju u tijelo je vodikov peroksid.

Šta je vodikov peroksid i njegova biološka svojstva

Tekućina pripada najjednostavnijim peroksidima, koji su složene tvari u kojima se atomi kisika spajaju. U neograničenim količinama, peroksid se može rastvoriti u vodi, etil alkoholu, dietil eteru; sam po sebi je odličan rastvarač.

Vodikov peroksid ima sljedeća biološka svojstva:

• Ima važnu zaštitnu ulogu kao baktericidno sredstvo za organizam - enzim glukoza oksidaza, koji potiče stvaranje vodikovog peroksida kao rezultat redoks reakcija, može imati protuupalni i dezinfekcijski učinak;
• Kada se supstanca H2O2 pojavi u ćeliji u višku, to uzrokuje njenu oksidaciju, što dovodi do oštećenja stanice, što se naziva oksidativni stres.

Vodikov peroksid ima i pozitivne i negativne učinke. Ova linija zavisi od doze, pa se količina ovog rastvora koja ulazi u organizam mora biti strogo kontrolisana, jer se umesto terapeutskog efekta može postići negativan efekat peroksida na ćelije i tkiva organizma.

Medicinska upotreba vodikovog peroksida

Vodikov peroksid je efikasno medicinsko rješenje namijenjeno lokalnoj i vanjskoj primjeni, okarakterizirano kao učinkovito dezinfekcijsko sredstvo sa antiinfektivnim djelovanjem. U medicinske svrhe može se koristiti za predviđenu svrhu, kao i u alternativnoj tehnici koju promovišu tradicionalni iscjelitelji.

H2O2 djeluje i djeluje ljekovito:

1. Za oboljenja srca i krvnih sudova, izražena poremećajima cirkulacije i manifestovana različitim patologijama arterija i vena.
2. Tokom dugotrajne upale bronha, koja se razvija u hronično stanje.
3. Kada je poremećena normalna kontrakcija alveola, što utiče na nestabilnu opskrbu krvi kisikom i nepravilno odstranjivanje ugljičnog dioksida iz nje. Ovo zatajenje uzrokuje respiratornu insuficijenciju i dovodi do emfizema.
4. U slučaju povećane osjetljivosti organizma na alergene, koja se manifestuje bolnim simptomima i neadekvatnom reakcijom na različite supstance.
5. Za rak krvi (leukemiju).
6. Prehlade, oralne bolesti.

Peroksid služi kao provodnik, omogućavajući ljudskom tijelu da se dodatno obogaćuje atomskim kisikom, kojeg uvijek nedostaje.

Načini upotrebe peroksida u medicinske svrhe:

• vanjska upotreba;
• gutanje.

Spoljašnja upotreba je najčešća metoda kojom je moguće efikasno liječiti oštećenja kože uzrokovana vanjskim utjecajima i karakterizirana narušavanjem integriteta tkiva, a to mogu biti razne posjekotine, rane, ogrebotine. Tretman peroksidom omogućava dezinfekcijski učinak, što ima pozitivan učinak na sprječavanje nastanka infektivnog procesa.

Supstanca uništava i uklanja iz oštećenog područja kože mikročestice i strane komponente nastale kao rezultat interakcije s predmetima koji su uzrokovali mehanička oštećenja epitela. Peroksid je efikasan i u borbi protiv patogene mikroflore, a posebnost protiv koje se imunološki sistem ne bori je pojava upale tkiva koja se manifestuje gnojnom tečnošću.

Gnoj je zamućena tekućina (eksudat) koja se oslobađa u tkivo ili šupljinu tijela prilikom upale iz elastičnih tubularnih formacija - krvnih sudova. Suppuracija je vrlo opasan proces koji ne samo da može prekinuti zacjeljivanje tkiva, već i doprinijeti infekciji njihovih cijelih čestica, što dovodi do uništavanja sve veće površine epitela. Upotreba vodikovog peroksida u ovoj sredini ne samo da će očistiti kontaminiranu površinu, već će i uništiti štetne mikroorganizme koji uzrokuju upalu.

Taj proces je sljedeći: membrana mrtve ćelije sadrži proteinski molekul katalazu; kada se zaraženo područje tretira vodikovim peroksidom, dolazi do kemijske reakcije, uslijed koje se peroksid razgrađuje i formira atomski kisik, koji svojim priroda je najjači oksidant koji ubija patogene mikroorganizme.

Upotreba ovako efikasnog lijeka poslužit će kao odlična pomoć, uništavajući infektivne procese i dovodi do bržeg zacjeljivanja oštećenja tkiva.Spoljni način upotrebe peroksida je ujedno i najsigurniji i smatra se namenom ove supstance.

Uz namjensku upotrebu tvari, moguća je i njegova alternativna upotreba, koja ima blagotvoran učinak na tijelo, a pregledi o čijoj upotrebi karakteriziraju vodikov peroksid kao otopinu koja ne samo da može zasititi stanice kisikom, već i spriječiti nastanak malignih tumora uzrokovanih patološkom promjenom stanja ćelije.

Alternativna metoda je da se supstanca koristi interno kao piće, što je detaljno prikazano u radovima Neumyvakina. Vodikov peroksid se također aktivno koristi u oblozima, mješavinama, kapima i služi kao odličan lijek s dezinfekcijskim i analgetskim djelovanjem.

Upotreba supstance u kozmetologiji

Peroksid je također uobičajen u kozmetologiji, jer ova komponenta omogućava postizanje djelotvornosti u uklanjanju akni, čija je pojava uzrokovana upalom lojnih žlijezda, a tvar učinkovito blokira upalni proces, čime se sprječava nastanak akni. .

Periodično brisanje kože lica pamučnim štapićem natopljenim 3% rastvorom može ukloniti masni sjaj i malo osušiti kožu, očistiti pore i osloboditi se masne kože.

Ali prekomjerna upotreba peroksida u kozmetičke svrhe može uzrokovati nepovratne promjene u procesima u koži, jer od nastalog stresa tijelo, u zaštitne svrhe, može aktivno započeti proces znojenja kako bi održalo normalno stanje kože.

Neumyvakinova tehnika

Vodikov peroksid je popularan kao narodni lijek kada se uzima oralno. Postoje tehnike koje otkrivaju korisna svojstva tekućine, kada različite metode korištenja otopine mogu se riješiti mnogih bolesti.

Najpoznatija inovativna metoda upotrebe u medicinske i profilaktičke svrhe je shema liječenja I.P. Neumyvakin, koji se otvara postupnim unosom vodikovog peroksida i omogućava vam da otkrijete široke mogućnosti djelovanja tvari na ljudsko tijelo.

Suština inovacije

Zahvaljujući dugogodišnjim istraživanjima, naučnim otkrićima i praktičnom promišljanju teorijskih vještina, Neumyvakin je došao do značajnih zaključaka. Budući da je ljudsko tijelo stalno pod napadom mikroba i virusa, u borbi protiv njih, bijela krvna zrnca i granulirani leukociti proizvode oksidant H2O2 iz vode i atmosferskog kisika, koji inhibira mikrobe.

Ova hemikalija je sposobna obnoviti normalno funkcioniranje metabolizma, redoks procese, pokrenuti povećanje imunološke otpornosti tijela, stimulirati normalno stanje stanica, spriječiti nastanak različitih patologija.

Metoda implementacije metode

Da biste to učinili, jedna kap 3% peroksida razrijedi se u 50 ml vode i pije tri puta dnevno. Svakim danom se povećava broj kapi 3% rastvora i nakon deset dana razblaži se 10 kapi na 50 ml. malo vode. Ova lekovita mešavina se pije pola sata pre jela, a kada se dostigne granica od 10 kapi, uzimanje se prekida na tri dana. Zatim počnite ponovo sa konačnom dozom i za isti period, takođe kombinujući pauze između oralne primene.

Pozitivan učinak peroksida prema Neumyvakinu

• za upalu sluznice maksilarnog sinusa (sinusitis), uzeti 15 kapi otopine razrijeđene u žlici vode. Dobijeni lijek se pipetom ukapa u svaku nozdrvu i ukloni se nekoliko kapi i izduvavanjem se ukloni sluz koja se stvorila u nosu;
• kada bolujete od osteohondroze (degenerativno-distrofično oštećenje tkiva kralježnice), pomaže obloga s analgetskim učinkom. Da biste to učinili, krpa je natopljena peroksidom i nanesena na uznemirujuće područje; za efekt staklenika, zavoj je prekriven polietilenom i omotan odozgo dobrim komadom tople tkanine. Provedite 15 minuta u ovom stanju, nakon čega se oblog uklanja. Nekoliko od ovih postupaka će pomoći u ublažavanju boli;
• ako je sluznica ždrijela upaljena, što se izražava pojavom upale grla, tada će ispiranje usta otopinom pomoći u borbi protiv bolesti: razrijedite čajnu žličicu peroksida u četvrtini čaše vode;
• kod zubnih oboljenja, izraženih poremećajem mineralnog metabolizma i krvotoka desni, a rezultiraju parodontalnom bolešću, mješavina sode bikarbone, limunovog soka, vodikovog peroksida, u omjeru 3 g sode na 10 kapi soka i 20 kapi H2O2, pomoći će. Dobivena smjesa se koristi za čišćenje zuba, a radi terapeutskog efekta nakon ovog postupka se suzdržava od hrane i tekućine 20 minuta.

U ljudskom tijelu, vodikov peroksid se razlaže na vodu i atomski kisik, što je omogućeno posebnim enzimom - katalazom.

Osim toga, vodikov peroksid, kao snažno oksidacijsko sredstvo, igra značajnu ulogu u procesu čišćenja samih stanica od toksina i otpada.

Utjecaj H 2 O 2 na reakcije u tijelu

Takođe učestvuje u metaboličkim procesima, a učešće je veoma višestruko, a mi ćemo ga detaljno razmotriti:

• prije svega, naravno, govorimo o zasićenju tkiva kisikom;
• Ništa manje važno je iskorišćavanje ćelija proteina, masti, ugljikohidrata i mineralnih soli neophodnih za njihove vitalne funkcije.
• vodikov peroksid potiče stvaranje nekih vitalnih vitamina, uključujući vitamin C;
• svojstvo vodikovog peroksida da se raspada uz oslobađanje topline određuje njegovu ulogu u održavanju termoregulacije, a njegove kemijske karakteristike određuju regulatorni učinak na procese proizvodnje i preraspodjele enzima u tijelu, odnosno na njegove hormonalne funkcije;
• poznato je da je peroksid neophodan za isporuku kalcija do moždanih stanica;
• a nedavne studije su utvrdile da prisustvo vodikovog peroksida pospješuje prelazak šećera iz krvne plazme u stanice bez pomoći inzulina. Ovo je vrlo obećavajući smjer u razvoju novih metoda liječenja pacijenata sa dijabetesom.

Oksidirajuća svojstva vodikovog peroksida

Konačno, još jedno svojstvo vodikovog peroksida igra ogromnu ulogu: njegova sposobnost da oksidira otrovne tvari - kako one koje ulaze u tijelo izvana, tako i otpadne proizvode samog tijela.

Dr. C. Farr, jedan od vodećih zapadnih stručnjaka za vodikov peroksid, ovo posljednje svojstvo naziva "oksidativnom detoksikacijom". Prema njegovim riječima, peroksid oksidira i one masti koje se talože na zidovima krvnih sudova, što znači da ima važnu ulogu u borbi protiv ateroskleroze.

Kao i uticaj na krvni sistem. Bijela krvna zrnca, posebno leukociti i granulociti, neovisno proizvode vodikov peroksid: koriste njegovu sposobnost oslobađanja atomskog kisika kao svoje najmoćnije oružje u borbi protiv bilo koje infekcije (često ih nazivaju "ćelije ubice").

Proizvodnja vodikovog peroksida u krvnim stanicama

Krvne ćelije proizvode peroksid iz vode i kiseonika:

2H 2 O+O 2 = 2H 2 O 2,

a zatim u obrnutom procesu:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + "O"

oni primaju onoliko oksidansa (kiseonika) koliko je potrebno za uništavanje bilo koje patogene mikroflore, bilo virusa, gljivica ili bakterija.

Zasićenost tkiva kiseonikom igra važnu ulogu u liječenju raka. To je zbog činjenice da, kao što su istraživanja pokazala, ćelije raka nisu u stanju da se razvijaju i umru u okruženju obogaćenom kiseonikom. Nedostatak kiseonika u tkivima je neophodan uslov za rast tumora.

Prema nekim izvještajima, virus AIDS-a postaje neodrživ i umire kada je razina kisika u krvi pacijenta dovoljno visoka.

9. Hemijske transformacije jedinjenja u atmosferi. Reaktivne atmosferske čestice. Ozon. Molekularni i atomski kiseonik

Nijedan od brojnih problema atmosferske hemije ne izaziva tako živu diskusiju kao problem uticaja jedinjenja koja sadrže halogene na ozonski omotač koji se nalazi u stratosferi. 70-ih godina osnovan je Komitet za koordinaciju ozonskog omotača (OCCO) koji do danas djeluje u okviru Programa Ujedinjenih nacija za okoliš (UNEP), a Svjetska meteorološka organizacija osnovala je Međunarodnu komisiju za atmosferski ozon (ICAO). Takvo interesovanje za problem ozona je razumljivo: ovaj alotropni oblik kiseonika, sadržan u atmosferi u zanemarljivim količinama, štiti biosferu od štetnog dejstva ultraljubičastog zračenja Sunca. Osim toga, inverzioni sloj relativno toplog zraka, nastao kao rezultat egzotermnog razlaganja ozona, štiti donje slojeve i površinu zemlje od hlađenja.

Mnogi naučnici su istovremeno izrazili mišljenje o učešću azotnih oksida u uništavanju ozonskog omotača i formiranju njegovog stratosferskog ciklusa.

Izvor NO je N 2 O:

N 2 O  N 2 + O(1 D) <230нм

N 2 O + O(1 D)  2 BR

Katalitički ciklus uništavanja ozona opisan je jednadžbama:

NO + O 3  NO 2 + O 2

NO 2 + O(1 D)  NO + O 2

_______________________

O(1 D) + O 3  2 O 2

Uništavanje ozona u reakciji s dušikovim oksidom događa se više od 7 puta brže nego u njegovom odsustvu.

Pored procesa fotolize azot-oksida (1), čija brzina emisije snažno zavisi od intenziteta upotrebe azotnih đubriva u poljoprivredi, izvor NO u stratosferi su gasovi koje emituju nadzvučni avioni, koji u novije vreme godine pridružile su se američke svemirske letjelice za višekratnu upotrebu (program Shuttle). Mnogi istraživači vjeruju da će se s povećanjem intenziteta letova u stratosferi, brzina uništavanja ozona naglo povećati i to će negativno utjecati na biljni i životinjski svijet planete.

Još jedna opasnost za ozonski omotač ukazano je 1974. godine. Molina i Rowland. Izneli su hipotezu o uništavanju ozonskog omotača pod uticajem freona-11 i 12. Glavne odredbe ove hipoteze:

oslobađanje fluorotriklorometana i difluorodihlorometana u atmosferu približno je ekvivalentno njihovoj globalnoj proizvodnji;

ova jedinjenja, izuzetno inertna u uslovima troposfere, polako difunduju u stratosferu;

fotolitička razgradnja fluorohlorougljika u stratosferi dovodi do oslobađanja atomskog hlora, koji ulazi u katalitički ciklus razaranja ozona.

10. Hemijske transformacije jedinjenja u atmosferi. Hidroksilni i hidroperoksidni radikali.

Hemijski procesi u troposferi koji uključuju slobodne radikale

U hemijskim transformacijama različitih supstanci u troposferi ključno mesto zauzimaju OH radikal , podstičući nastanak hemijskih reakcija. Ovaj radikalan (ON·) nastaje kao rezultat fotokemijski započete reakcije razgradnje ozona. Tokom fotolize O3 atomski kiseonik nastaje u elektronski pobuđenom stanju prema reakciji O3 + hν → O2 + O* (35)

Interakcija O* s molekulima vode koji difundiraju iz troposfere u stratosferu odvija se bez aktivacije sa stvaranjem OH· radikala:

O* + H2O → 2OH (36)

OH radikal nastaje u troposferi i kao rezultat reakcija fotokemijske razgradnje spojeva koji sadrže dušik (HNO2, HNO3) i vodikovog peroksida (H2O2):

NNO2 + hν → NO + OH (37)

NNO3 + hν → NO2 + OH (38)

H2O2 + hν → 2OH (39)

Koncentracija OH· u troposferi je (0,5–5,0).106 cm3.

Uprkos činjenici da većina gasova sadržanih u tragovima u atmosferi pasivno reaguje sa glavnim komponentama vazduha, rezultujući OH· radikal može da reaguje sa mnogim atmosferskim jedinjenjima. U troposferi, OH· radikali učestvuju prvenstveno u reakcijama sa oksidima azota, ugljenika i ugljovodonika.

Kada OH radikali interaguju s dušikovim oksidima, nastaju dušična i dušična kiselina:

NO + OH → HNO2 (40)

NO2 + OH → HNO3 (41)

Ove reakcije su važan dio formiranja kiselih kiša.

HO· radikali su takođe visoko reaktivni u reakcijama oksidacije ugljovodonika. Najveći i najčešći organski zagađivač u atmosferi je metan.

Oksidacija CH4 pod utjecajem OH radikala povezana je s oksidacijom NO, koji katalizira oksidaciju metana. Mehanizam radikalnog lanca ovog procesa uključuje fazu inicijacije OH·, uobičajenu za sve troposferske procese, i ciklus egzotermnih reakcija nastavka lanca, karakterističan za oksidaciju organskih jedinjenja:

O + H2O → OH + OH (42)

OH + CH4 → H2O + CH3 (43)

CH3 + O2 → CH3O2 (44)

CH3O2 + NO → CH3O + NO3 (45)

CH3O + O2 → CH2O + HO2 (46)

praćene reakcijama

NO2 + hν → NO + O (47)

O + O2 + M → O3 + M (48)

SO2 + NO → NO2 + OH (49)

Kao rezultat toga, bruto reakcija oksidacije CH4 u prisustvu NO kao katalizatora i pod uticajem sunčeve svetlosti talasne dužine 300-400 nm biće zapisana u obliku

CH4 + 4O2 → CH2O + H2O + 2O3 (50)

Oksidacija metana dovodi do stvaranja troposferskog ozona i formaldehida.

Povećanje prizemne koncentracije ozona predstavlja prijetnju flori i fauni Zemlje.

Formaldehid koji nastaje tokom oksidacije metana dalje oksidira OH radikali u ugljični monoksid (II):

OH + CH2O → H2O+HCO, (51)

HCO + O2 → HO2 + CO. (52)

Ugljenmonoksid (II) je sekundarni zagađivač atmosfere i po količini je uporediv sa unosom CO iz procesa nepotpunog sagorevanja prirodnih ugljovodoničnih goriva.

Još jedan radikal koji igra značajnu ulogu u atmosferi je hidroperoksidni radikal HO2· . Njegovo stvaranje, uz gore navedene međureakcije (46, 52), može se dogoditi i na druge načine, na primjer, pri interakciji atomskog vodika (koji nastaje prilikom oksidacije CO u CO2) s kisikom.

CO + OH → CO2 + H (50)

H + O2 → HO2 (51)

Hidroperoksidni radikali također nastaju interakcijom OH s ozonom i peroksidom i igraju važnu ulogu u atmosferskoj hemiji

OH + O3 → HO2 + O2 (52)

OH + H2O2 → HO2 + H2O (53)

Utvrđeno je da HO2· radikal efikasno interaguje sa azotnim oksidom da bi formirao OH· radikal:

SO2 + NO → NO2 + OH (54)

Proces rekombinacije HO2 radikala je glavni izvor stvaranja atmosferskog vodikovog peroksida:

HO2 + HO2 → H2O2 + O2 (55)

Kao što se iz navedenog može vidjeti, svi atmosferski procesi, uključujući i radikalne, međusobno su povezani i zavise od sadržaja glavnih i nečistoća u zraku, intenziteta sunčevog zračenja u različitim intervalima valnih dužina itd.

Uvod

1. Istraživanje utjecaja atomskog kisika u gornjim slojevima Zemljine atmosfere na materijale

1.1 Atomski kiseonik u Zemljinoj gornjoj atmosferi

1.2 Proučavanje uticaja atomskog kiseonika na materijale u terenskim i laboratorijskim uslovima

1.3 Proces hemijskog prskanja AK polimera

1.4 Promjene u svojstvima polimernih materijala kada su izloženi atomskom kisiku

1.5 Metode zaštite polimernih materijala od razaranja strujanjima plazme

2. Metodologija za proučavanje uticaja atomskog kiseonika na polimere

2.1 Opis metodologije proračuna

2.2 Magnetoplazmodinamički akcelerator kisikove plazme DZZP MSU

3. Rezultati proračuna

3.1 Opis i poređenje dobijenih podataka sa eksperimentalnim proračunima

3.2. Proučavanje uloge distribucije punila u pripovršinskom sloju kompozita

3.3 Analiza zaštitnih svojstava punila na osnovu podataka o slabljenju protoka AA

3.4. Proučavanje uloge distribucije punila u volumenu kompozita

Zaključak

Uvod

U rasponu visina od 200-700 km, atomski kiseonik (AO) je glavna komponenta gornjeg sloja Zemljine atmosfere, čiji uticaj dovodi do ozbiljnog razaranja materijala na spoljašnjim površinama svemirskih letelica. Istovremeno, AA pojačava svoju oksidacijsku sposobnost zbog dodatne kinetičke energije atoma kisika (oko 5 eV) uzrokovane orbitalnom brzinom svemirske letjelice (SV) u Zemljinoj orbiti. Erozija materijala nastaje usled uticaja nadolazećeg strujanja naizmenične struje, usled čega se pogoršavaju parametri kao što su mehanički, optički, električni i termički. Polimerni materijali su najviše izloženi takvim destruktivnim efektima, jer nakon hemijske interakcije kiseonika nastaju stabilni isparljivi oksidi koji se desorbuju sa površine letelice. Za polimerne materijale (PM), debljina sloja koji se odnese sa površine može doseći nekoliko desetina, pa čak i stotina mikrometara godišnje.

Povećanje otpornosti polimera na efekte AA može se postići unošenjem nanočestica u površinske slojeve otporne na efekte protoka AA. Obećavajući, funkcionalni i strukturni materijali za svemirske letelice uključuju polimerne nanokompozite, koji imaju poboljšane mehaničke, termičke, radijacijske i optičke karakteristike. Dug radni vek i siguran rad svemirskih letelica zavise od otpornosti konstrukcijskih i funkcionalnih materijala koji se koriste na uticaj atomskog kiseonika. Uprkos svim sprovedenim istraživanjima i velikoj količini akumuliranih eksperimentalnih podataka o proučavanju uticaja protoka atomskog kiseonika na polimerne materijale svemirskih letelica, danas ne postoji jedinstven model dejstva protoka kiseonika. Pretraživanje i proučavanje materijala koji su otporni na AK efekte u uslovima dugotrajne letelice u niskoj orbiti, razvoj novih materijala sa boljim karakteristikama i predviđanje dugoročne stabilnosti svojstava letelice glavni su zadaci. kreatori svemirske tehnologije.

Relevantnost teme završnog kvalifikacionog rada određena je činjenicom da je rješenje navedenih problema nemoguće bez daljnjih istraživanja procesa erozije, bez pribavljanja novih kvalitativnih i kvantitativnih podataka o gubitku mase, promjenama topografije površine i fizičkim i mehanička svojstva polimernih materijala pod djelovanjem AA strujanja. svemirska laboratorija za hemijsko raspršivanje

Svrha mog rada je bila proučavanje i dobijanje novih podataka, njihovo upoređivanje sa eksperimentalnim podacima o uticaju strujanja AA na polimerne materijale i utvrđivanje njihovog stepena slaganja sa rezultatima proračuna.

Za postizanje cilja riješeni su sljedeći zadaci:

Na osnovu literaturnih podataka proučavani su fenomeni hemijskog raspršivanja materijala, određeni parametri koji karakterišu intenzitet procesa hemijskog prskanja;

Proučavane su metode matematičkog modeliranja procesa hemijskog raspršivanja polimera atomskim kiseonikom i laboratorijska istraživanja ovog fenomena;

Izvršena je kompjuterska simulacija procesa površinske erozije tipičnih polimera i kompozita na njihovoj osnovi pod utjecajem atomskog kisika;

Izveden je laboratorijski eksperiment kemijskog prskanja polimernog kompozita atomskim kisikom;

Upoređuju se proračunski i eksperimentalni podaci, analiziraju dobijeni rezultati i donose praktični zaključci.

U ovom radu, za proučavanje kvantitativnih karakteristika procesa erozije polimernih materijala pod uticajem AA, korišćen je matematički model kreiran na Institutu za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog univerziteta na osnovu eksperimentalnih podataka.

Neki od rezultata ovog završnog kvalifikacionog rada objavljeni su u zbornicima i predstavljeni na dvije konferencije kao što su: XVIII Međuuniverzitetska škola mladih specijalista „Koncentrisani energetski tokovi u svemirskoj tehnologiji, elektronici, ekologiji i medicini“ i godišnja međuuniverzitetska naučno-tehnička konferencija studenti, diplomirani studenti i mladi specijalisti po imenu E.V. Armensky.

1. Istraživanje utjecaja atomskog kisika u gornjim slojevima Zemljine atmosfere na materijale

1 Atomski kiseonik u gornjoj atmosferi Zemlje

Svemirske letjelice u niskoj orbiti Zemlje su pod uticajem čitavog kompleksa svemirskih faktora, kao što su: visoki vakuum, termalni ciklusi, visokoenergetski tokovi elektrona i jona, hladna i vruća svemirska plazma, solarno elektromagnetno zračenje i čvrste čestice simuliranog porijekla. Najveći uticaj ima uticaj slobodnog toka AO u gornjoj atmosferi Zemlje.

Atomski kisik je glavna komponenta Zemljine atmosfere u rasponu visina od 300 do 500 km, njegov udio je ~ 80%. Udio molekula dušika je ~ 20%, udio kisikovih jona je ~ 0,01%.

Do 100 km sastav atmosfere se neznatno mijenja zbog njenog turbulentnog miješanja, prosječna masa molekula ostaje približno konstantna: m = 4,83∙10-26 kg (M = 28,97). Počevši od 100 km atmosfera se počinje mijenjati, posebno postaje značajan proces disocijacije molekula O2, tj. sadržaj atomskog kiseonika se povećava, a atmosfera je takođe obogaćena lakim gasovima helijumom, a na velikim visinama i vodonikom zbog difuzionog odvajanja gasova u gravitacionom polju Zemlje (sl. 1. a, c).

Rice. 1 Distribucija koncentracije atmosferskih komponenti

Sa visine od 100 km počinju promjene u sastavu Zemljine atmosfere, jer dolazi do procesa povećanja sadržaja atomskog kiseonika i atmosfera počinje da se obogaćuje lakim gasovima kao što je helijum, a na većim visinama - vodikom, zbog na difuzijsko odvajanje gasova u Zemljinom gravitacionom polju (sl. 1 a, b) . Različite ionsko-molekularne reakcije koje se odvijaju u plinskoj fazi također igraju važnu ulogu u formiranju visinskih distribucija neutralnih i nabijenih čestica u gornjoj atmosferi.

Tabela 1 - Energija jonizacije, disocijacije i ekscitacije glavnih atmosferskih komponenti

Atom ili molekul Ei, eV λi, nmEd, eV λd, nmExcited stateEex, eVNO9.251345.292.34O210.081035.08244O2(1 Δ g) O2(b1 Σ +g) O2(A3 Σ +u)0.98 1.63 4.34H13.5991--O13.6191--O(1D) O(1S)1.96 4.17 N 14.54 85 - -N(2D) N(2P)2, 39 3.56H245.412775.417.775 68Ar15.7579--He24.5850--

Procesi disocijacije i jonizacije atmosferskih komponenti odvijaju se uglavnom pod uticajem kratkotalasnog elektromagnetnog zračenja Sunca. U tabeli U tabeli 1 prikazana je energija jonizacije Ei i energija disocijacije Ed najvažnijih atmosferskih komponenti, ukazujući na talasne dužine sunčevog zračenja koje odgovaraju ovim energijama. λi I λd. Tu su također date vrijednosti energije pobude Eex različitih stanja za molekule O2 i atome O i N.

U nastavku možete vidjeti podatke o raspodjeli energije u sunčevom spektru koji su prikazani u tabeli 2. U kojoj su za različite spektralne intervale date apsolutne i relativne vrijednosti gustine energetskog toka, kao i energetske vrijednosti kvanta zračenja, određene relacijom ε [ eV] = 1240/ λ [ nm] (1 eV = 1,6 ⋅10−19 J).

Tabela 2 - Energetska distribucija gustine fluksa u opsegu sunčeve svjetlosti

Interval talasa talasa, NMSE toka energije J ∙ M-2 ∙ S-1dol od ukupnog toka energije kvanta EVULTROFIOLA Svjetlosti 10-400 10-225 225-300 300-400 126 0,4 1901. .0.0.0.0.7.8 124-3.1 124-5.5.5 5.5-4.1 4.1-3.1Vidljivo svjetlo 400-700 400-500 500-600 600-760 644 201 1943 3.1-3.1 .1. 1,6 3,1-2,5 2,5- 2.1 2.1-1.6Infracrveno svjetlo 760-5000 760-1000 1000- 3000 3000-5000 619 241 357 21 44.4 17.3 25.6 1.5 1.6-1-2.2 1.6-1-2.2 .

Ukupna gustina energetskog fluksa sunčeve svetlosti u oblasti Zemlje je 1,4 ⋅103 J ⋅s-1 ⋅m-2. Ova vrijednost se naziva solarna konstanta. Otprilike 9% energije u sunčevom spektru je dio talasne dužine ultraljubičastog zračenja (UV) λ = 10-400 nm. Preostala energija je približno jednako podijeljena između vidljivih (400-760 nm) i infracrvenih granica spektra (760-5000 nm). Gustina fluksa sunčeve svjetlosti u rendgenskom području (0,1-10 nm) je vrlo mala ~5 ⋅10-4 J ⋅s-1 ⋅m-2 i jako zavisi od nivoa sunčeve aktivnosti.

U vidljivom i infracrvenom području, domet Sunca je blizak spektru zračenja potpuno crnog tijela sa temperaturom od 6000 K. Ova temperatura odgovara temperaturi vidljive površine Sunca, fotosfere. U ultraljubičastim i rendgenskim područjima raspon Sunca je opisan drugom pravilnošću, kada zračenje ovih područja dolazi iz hromosfere (T ~ 104 K) koja se nalazi iznad fotosfere i korone (T ~ 106 K), spoljašnjeg omotač Sunca. U kratkotalasnom opsegu Sunca postoji mnogo pojedinačnih linija na kontinuiranom spektru, od kojih je najintenzivnija linija vodonika Lα , superponirano ( λ = 121,6 nm). Sa širinom ove linije od približno 0,1 nm, ovo odgovara gustoći fluksa zračenja od ~5 ⋅10-3 J ⋅m-2 ⋅s-1. Intenzitet emisije u L liniji β (λ = 102,6 nm) je otprilike 100 puta manji. Prikazano na sl. 1, visinske distribucije koncentracije atmosferskih komponenti odgovaraju prosječnom nivou solarne i geomagnetske aktivnosti.

Raspodjela koncentracije atomskog kisika po visini prikazana je u tabeli. 3.

Tabela 3 - Visinska distribucija koncentracije

Nadmorska visina km2004006008001000n0, m-37.1∙10152.5∙10141.4∙10139.9∙10118.3∙1010

Granice visinskog raspona i koncentracija AA u njegovim granicama snažno zavise od nivoa sunčeve aktivnosti. Zavisnost koncentracije atomskog kiseonika na visini za prosječni broj, minimalni i maksimalni nivoi date su na slici. 2 i na slici. Slika 3 prikazuje promjene godišnjeg fluensa atomskog kisika na visini od 400 km tokom ciklusa solarne aktivnosti.

Rice. 2 Ovisnost koncentracije AA o visini za različite nivoe sunčeve aktivnosti

Rice. 3 Promjena godišnjeg fluensa AC fluksa tokom ciklusa solarne aktivnosti

Izračunati godišnji fluens atomskog kiseonika za OS ≪Svijet ≫prikazano u tabeli 4 (350 km; 51.6o) za 1995-1999.

Tabela 4 - Godišnje vrijednosti fluensa

Godina19951996199719981999Godišnji protok 10 22 cm-21.461.220.910.670.80

1.2 Proces hemijskog prskanja AK polimera

Atomizacija materijala se može odvijati kroz dva procesa - fizičku atomizaciju i hemijsku atomizaciju. Fizičko raspršivanje materijala je proces gotovo elastičnog izbacivanja atoma sa površine mete, pri čemu dolazi do kvaziparne interakcije. Kao rezultat toga, neki atomi tvari dobivaju energiju koja premašuje energiju vezivanja površinskih atoma i napušta metu; ovo je fenomen praga. Karakteristika fizičkog raspršivanja je postojanje energetskog praga, ispod kojeg praktički nema uništavanja materijala. U našem radu ćemo proučavati hemijsko raspršivanje polimera. Ovo je proces jetkanja, erozije materijala, koji nastaje ako upadni atomi stupe u interakciju s ciljnim atomima da na površini formiraju hlapljive spojeve, koji se mogu desorbirati s površine, što dovodi do gubitka mase materijala.

Na sl. Na slici 4 prikazani su rezultati laboratorijskih merenja koeficijenata raspršivanja jonima kiseonika sa energijama 20−150 eV ugljenika (dve gornje krive) i nerđajućeg čelika (donje krive), kao i podaci o raspršivanju ugljenika (grafita) dobijeni na Space Shuttle svemirski brod (otvoreni krug).

Koeficijent raspršivanja, atom/jon

Rice. 4 Energetske zavisnosti koeficijenata raspršivanja grafita i nerđajućeg čelika jonima kiseonika

Primjetno je da je za ugljik koeficijent raspršivanja znatno veći u odnosu na čelik, a njegovo smanjenje pri energijama jona manjim od 50 eV je beznačajno, jer pri niskim energijama upadnih jona djeluje mehanizam kemijskog raspršivanja ugljika.

Za kvantitativno karakterizaciju gubitka mase materijala zbog hemijskog raspršivanja obično se koriste maseni Rm i volumetrijski Rv koeficijenti raspršivanja, tj. erozije, koji su jednaki odnosu specifičnih gubitaka mase ili zapremine i fluence atoma kiseonika dimenzija g/atom O ili cm3/atom O. Upotreba ovakvih koeficijenata je posebno pogodna kada se proučavaju procesi uticaja atomskog kiseonika. na polimernim i kompozitnim materijalima, za koje je često teško odrediti masu i sastav pojedinačnih fragmenata uklonjenih s površine. Često se oba koeficijenta erozije označavaju sa R ​​bez indeksa koji označavaju odgovarajuću dimenziju. Trenutno je akumulirana velika količina eksperimentalnih podataka o djelovanju atomskog kisika na različite materijale, posebno polimere, koji su, kao što je već navedeno, najosjetljiviji na kemijsko raspršivanje. Unatoč tome, još uvijek nisu razvijeni općeprihvaćeni modeli mehanizama razaranja polimera atomima kisika s energijama od ~5–10 eV. Prema modernim konceptima, interakcija brzog atoma kisika s površinom odvija se kroz tri kanala. Neki od atoma, sa vjerovatnoćom od 0,1−0,5, prodiru u materijal i kemijski stupaju u interakciju s njim, drugi dio formira molekule O2 koji napuštaju površinu, a treći dio prolazi kroz neelastično raspršenje. Zadnja dva procesa ne dovode do gubitka mase materijala.

Trenutno se razmatraju dvije glavne sheme u kojima se događa kemijsko raspršivanje polimera brzim atomima kisika.

Višefazni proces koji uključuje nekoliko uzastopnih i paralelnih faza: adhezija atoma na površinu, njegova termalizacija, difuzija u masu materijala i reakcije s molekulima polimera u termaliziranom stanju. U ovoj shemi, reakcijski lanci za brze i termalne atome kisika se ne razlikuju, a povećanje brzine razaranja polimera s povećanjem energije atoma je posljedica povećanja koeficijenta adhezije atoma na površine.

Direktne reakcije brzih atoma kisika s molekulima polimera tijekom primarnog sudara s površinom. Produkti takvih reakcija zatim ulaze u sekundarne reakcije s formiranjem jednostavnih plinovitih oksida ugljika i vodika u završnoj fazi. U ovom slučaju, povećanje energije atoma kisika koji bombardiraju površinu dovodi i do povećanja poprečnih presjeka reakcije i do pojave dodatnih reakcijskih lanaca.

hvatanje atoma H od strane O atoma sa stvaranjem OH i ugljikovodičnih radikala (ova reakcija ima nizak energetski prag i može se dogoditi pri toplinskim energijama O atoma);

eliminacija H atoma dodatkom O atoma u ugljikovodični lanac;

kidanje C=C ugljeničnih veza.

Posljednje dvije reakcije imaju visok energetski prag (~2 eV) i mogu se dogoditi samo pri interakciji s brzim atomima O. Za njih je ukupni presjek reakcije pri energiji atoma kisika od 5 eV veći od presjeka za reakciju formiranja OH.

Dakle, povećanje energije atoma kiseonika otvara, pored uobičajenih reakcija za termalne atome apstrakcije H atoma sa formiranjem OH, nove kanale reakcije sa višim energetskim pragovima. Razmatrane šeme interakcije atomskog kiseonika sa polimerima su u izvesnoj meri potvrđene rezultatima numeričke simulacije procesa interakcije atomskog kiseonika sa površinom, sprovedenih metodama klasične i kvantne mehanike.

Rezultati simulacije su pokazali da tok čestica koje dolaze s površine polimera sadrži neelastično raspršene O atome (oko 35%), produkte cijepanja C–H veza (40%) i proizvode cijepanja C-H. –C obveznice (2–3%). Postotak proizvoda interakcije atomskog kisika s polimerom u velikoj mjeri ovisi o energiji kidanja veze u polimernim jedinicama, čije su vrijednosti za različite veze date u tabeli. 5. Ova tabela takođe daje talasne dužine sunčevog zračenja koje odgovaraju naznačenim energijama prekida veze.

Tabela 5 - Energije veze i karakteristične talasne dužine prekida polimernih veza

Vrsta veze C - HCF2-FC=CC=OSi-O Energija veze eV3.3-4.35.267.58.5 Karakteristična talasna dužina μm0.28-0.360.230.20.150.14

Treba napomenuti da fluorirani polimeri, odnosno oni koji sadrže F atome fluora, imaju prilično jake C–F veze. Osim toga, karakterizira ih specifičan dizajn polimernog lanca koji štiti atome C od direktnog utjecaja atoma kisika. Kao rezultat toga, kako su studije pokazale, stopa njihove erozije pod utjecajem atomskog kisika je više od 50 puta manja nego kod poliimida i polietilena.

Za opisivanje zavisnosti koeficijenta erozije R od energije atoma kiseonika tokom hemijskog raspršivanja polimera, predlaže se funkcija oblika = 10−24AEn sa sledećim vrednostima parametara, koje zavise od vrste raspršenog polimera: = 0,8 −1,7; n = 0,6−1,0,1

Na osnovu analize eksperimentalnih podataka o hemijskom raspršivanju polimernih filmova, utvrđena je funkcionalna zavisnost koeficijenta erozije od sastava raspršenog polimera:

R~ γM / ρ , γ = N / (NC - NCO),

gdje je N broj svih atoma u jednoj polimernoj jedinici koja se ponavlja; NC je broj ugljikovih atoma u jedinici; NCO je broj C atoma koji se mogu ekstrahovati iz jedinice interno pomoću molekularnih atoma kiseonika u obliku CO ili CO2; M je prosječna molekulska težina jedinice; ρ - gustina polimera.

Kao što je gore navedeno, uništavanje polimernih materijala, zajedno s atomskim kisikom, može biti uzrokovano kratkovalnim sunčevim zračenjem. Efikasnost ovog procesa, kao i efikasnost hemijskog raspršivanja atomskim kiseonikom, zavisi od sastava i strukture polimera. Laboratorijski podaci pokazuju da se za neke polimere erozija ultraljubičastim zračenjem može usporediti s erozijom uzrokovanom atomskim kisikom. Istovremeno, do danas ne postoji opšteprihvaćena ideja o mogućnosti sinergijskih efekata kada su polimeri istovremeno izloženi atomskom kiseoniku i ultraljubičastom zračenju, tj. o mogućnosti pojačavanja ili slabljenja rezultirajućeg efekta kombinovanom ekspozicijom. Dvosmislenost dobijenih eksperimentalnih podataka i teoretskih procjena u velikoj mjeri se objašnjava činjenicom da kvanti kratkovalnog zračenja mogu uzrokovati i prekid polimernih lanaca i njihovo umrežavanje.

Specifični gubitak mase, g ⋅m-2

Trajanje izlaganja, dani

Rice. 5. Ovisnost specifičnog gubitka mase plastike ojačane karbonskim vlaknima o trajanju leta

Prilikom predviđanja trajnosti polimernih materijala u realnim uslovima svemirskog leta, treba uzeti u obzir da površina materijala koji se proučava može biti kontaminirana produktima sopstvene spoljašnje atmosfere letelice, što onemogućava kontakt materijala sa atomskim kiseonikom i olovom. do promjene koeficijenta erozije. Ovaj efekat može objasniti smanjenje brzine raspršivanja uzorka karbonskih vlakana tokom leta uočeno u eksperimentu na orbitalnoj stanici Saljut-6 (slika 5).

1.3 Proučavanje uticaja atomskog kiseonika na materijale u terenskim i laboratorijskim uslovima

Kada se testiraju u prirodnim uslovima, uzorci su izloženi ne samo AK, već i mnogim drugim PCP. Umjesto toga, praktično je nemoguće precizno i ​​potpuno simulirati prostorno okruženje u laboratorijima prilikom simulacije štandova. Stoga, kada se porede rezultati prirodnih i laboratorijskih eksperimenata, postoje odstupanja. U cilju povećanja pouzdanosti rezultata testova na klupi i mogućnosti njihovog poređenja sa podacima o letu, radi se kako na poboljšanju simulacionih klupa, tako i na izvođenju posebnih serija prirodnih eksperimenata posvećenih proučavanju uticaja pojedinačnih PCP, uključujući atomski kiseonik.

U terenskim ispitivanjima, imitacija udara AK-a provodi se pomoću nekoliko metoda:

metoda molekularnog snopa (standardni generalizirani naziv za usmjerene slobodno-molekularne tokove atoma, molekula, klastera);

metoda strujanja jona i plazme.

Sada se molekularni snopovi velike brzine sa energijama iznad 1 eV mogu dobiti gasnodinamičkim i elektrofizičkim metodama. U gasnodinamičkim metodama, zagrijani plin pod pritiskom prolazi kroz mlaznicu u vakuumu u obliku nadzvučnog toka. Za grijanje se koriste različiti oblici pražnjenja u plinu koji sadrži kisik u polju mlaznice.

Elektrofizičke metode se mogu klasifikovati kao metode koje se zasnivaju na ubrzanju u elektromagnetnim poljima gasa u stanju jonizacije sa naknadnom neutralizacijom jona u atomima od kojih se formira brza molekula ugruška. Za razliku od gasnodinamičke metode, nema ograničenja za brzinu čestica. Naprotiv, poteškoća leži u dobivanju zraka pri maloj brzini.

Metoda proizvodnje molekularnog snopa punjenjem pozitivno ioniziranih atoma i uklanjanjem nabijenih čestica iz snopa bila je široko prihvaćena. Međutim, još uvijek nije bilo moguće dobiti potreban protok čestica i trajanje kontinuiranog izlaganja korištenjem metoda molekularnog snopa.

Da bi se dobili rezultati koji odgovaraju udaru u punoj skali, pri proučavanju uticaja nailazećeg strujanja AC na materijale svemirskih letelica u niskoj orbiti, neophodno je da simulacione instalacije imaju sledeće parametre snopa atoma kiseonika i povezani faktori prostora:

energija atoma kiseonika treba da bude ~ 5-12 eV;

gustina atomskog fluksa j = 1015 -1018 at / cm2 ∙ s;

atomska gustina (sa kontinuiranim zračenjem) - F ~ 1022 -1023 at/cm2;

sastav zraka O (>90%), 02, 0+, N2+, 02 *;

prisustvo VUV i UV sa intenzitetom Pk ≥ 70 (μW/cm2;

termički ciklični materijal unutar raspona: 80°C

Laboratorijske instalacije mogu se u simuliranim uslovima razlikovati od stvarnih po spektru mase i energije, prisutnosti VUV ili UV osvjetljenja, gustini fluksa, vakuumu i temperaturnim uslovima na površini. Molekularni kiseonik i ioni su uključeni u zrake.

Zbog svog modernog stanja, jonski snopovi mogu proizvesti snopove niskoenergetskih jona (do ~ 10 eV) i atoma kisika prilično niskog intenziteta (ne više od 1012 cm-2 s-1), vrijednosti koja je ograničena efekat prostornog naboja jona. Koncentracija jona može se povećati upotrebom ubrzanih tokova plazme. Ovaj princip je primenjen u simulacionim štandovima Instituta za nuklearnu fiziku. Pri čemu se od 1965. godine proučava utjecaj jonosferske kisikove plazme stvorene kapacitivnim visokofrekventnim pražnjenjem vanjskim elektrodama (f ~ 50MTu) na široku klasu svemirskih materijala (termostatske prevlake, polimerni materijali). Međutim, ova metoda nam nije omogućila da u potpunosti reproduciramo uvjete interakcije atomskog kisika s materijalima vanjske površine letjelice pri radu u niskim Zemljinim orbitama (300-500 km). Sljedeća faza u razvoju simulacijske tehnologije za djelovanje strujanja čestica jonosferske plazme na materijal vanjske površine svemirske letjelice bila je stvaranje akceleratora kisikove plazme od strane zaposlenih u Institutu za nuklearnu fiziku i testnog štanda na bazi to. Na štandu su još u toku istraživanja o uticaju strujanja plazme u širokom spektru energija na materijale svemirske tehnologije, simulirajući uticaj jonosferskih kosmičkih faktora Zemlje i uticaj veštačkih plazma mlazova elektromotora. Za ispravnu interpretaciju i simulaciju testnih podataka, laboratorijski uslovi, čistoća i parametri kisikove plazme moraju se pažljivo i redovno provjeravati. Glavni materijal koji se koristi je poliimid.

Podaci dobiveni prirodnim i laboratorijskim ispitivanjima pokazali su da su polimerni materijali najosjetljiviji na destruktivno djelovanje AA. Za njih, debljina sloja odnesenog s površine može doseći nekoliko desetina, pa čak i stotina mikrometara godišnje.

1.4 Promjene u svojstvima polimernih materijala kada su izloženi atomskom kisiku

Prskanje polimera je praćeno ne samo gubitkom mase materijala, već dovodi i do promjene fizičkih i mehaničkih svojstava polimera, određenih površinskim slojem.

Izlaganje kiseoniku povećava hrapavost površine, sa karakterističnom teksturom nalik tepihu. U stranoj literaturi ova morfologija površine nazivana je (tepih).

Formiranje takvih struktura uočeno je u terenskim i laboratorijskim eksperimentima. Kao rezultat eksperimenata u punoj mjeri provedenih na OS Mir, otkrivena je pojava uređene površinske strukture polimernih filmova, što je dovelo do pojave anizotropije optičkih svojstava. Prolaz svjetlosti vanjskih poliimidnih filmova nakon izlaganja tijekom 42 mjeseca opao je za više od 20 puta zbog naglog povećanja raspršenja svjetlosti, a dijagrami svjetline su postali anizotropni.

Na sl. Slika 8a prikazuje elektronski mikrograf površine politetrafluoroetilena nakon izlaganja svemirskom brodu LDEF, a slika 8. 8b - mikrosnimka površine poliimida nakon izlaganja protoku atomskog kiseonika u simulacionom objektu Naučno-istraživačkog instituta za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog univerziteta.

Rice. 8 Struktura površine polimera nakon izlaganja atomskom kiseoniku u prirodnim (a) i laboratorijskim (b) uslovima

U nizu prirodnih eksperimenata na OS Mir, uočen je oštar gubitak čvrstoće arimidnih niti i arimidnih tkanina izloženih suprotnoj struji AA. Tako su u posebnom eksperimentu OSIGURANJE sa proizvodima napravljenim od materijala na bazi arimidnih tkanina prošivenih arimidnim nitima, arimidne niti šavova nakon 10 godina izlaganja uz gubitak težine od 15% uništene su bez primjene opterećenja, kada su fragmenti oni povezani su bili razdvojeni. Kod arimid tkanine gubitak težine je bio 17%, dok je vlačno opterećenje smanjeno za 2,2-2,3 puta, a istezanje pri kidanju za 17-20%.

1.5 Metode zaštite polimernih materijala od razaranja strujanjima plazme

Produženje životnog vijeka svemirskih letjelica je primarni cilj za programere svemirske tehnologije. Da bi se to postiglo potrebno je, između ostalog, osigurati dugoročnu stabilnost radnih svojstava materijala na vanjskoj površini letjelice i prije svega polimernih materijala koji su najpodložniji destrukciji.

Zaštita polimernih materijala provodi se u dva smjera: nanošenje tankih (~ 1 μm) zaštitnih filmova otpornih na AK, kako anorganske tako i polimerne, i modifikacija materijala ili njegovog površinskog sloja radi poboljšanja otpornosti na eroziju.

Upotreba tankih zaštitnih filmova provodi se na tri glavne metode:

fizičko taloženje pare u vakuumu (PVD): Al, Si, Ge, Ni, Cr, A12O3, SiO2, itd., koristeći termičko isparavanje, elektronske zrake, magnetron i ionsko raspršivanje;

plazma hemijsko taloženje pare (PESVD): SiO*, SiO2, SiN, SiON;

primjena plazme: Al, Al / In / Zr.

Filmski premazi mogu smanjiti gubitak težine polimernih materijala za 10-100 puta.

Oksidi i nitridi su hemijski inertni prema AA, tako da je njihovo raspršivanje zanemarivo. Utjecaj AA na nitride bora i silicija uzrokuje njihovu površinsku transformaciju u film oksida na dubini od oko 5 nm, što sprječava oksidaciju donjih slojeva. Premazi na bazi Si pokazuju visoku otpornost - koeficijent raspršivanja se u pravilu smanjuje za više od dva reda veličine.

Efikasnost različitih zaštitnih premaza na bazi silicijuma ilustrovana je na Sl. 9, na kojoj su prikazane zavisnosti gubitka mase uzoraka poliimidnog filma obloženih SiO2 i silikonskim lakom od fluence atoma kiseonika dobijenih na simulacionom štandu Instituta za nuklearnu fiziku Moskovskog državnog univerziteta. Zahvaljujući upotrebi zaštitnih premaza, brzina erozije filma se smanjuje za 200-800 puta.

Rice. 9. Ovisnost gubitka mase uzoraka nezaštićenog poliimidnog filma i različitih zaštitnih premaza o fluenciji atoma kisika

Međutim, premazi lima su nepouzdani – lako se raslojavaju i kidaju tokom termičkog ciklusa, a oštećuju se tokom rada i proizvodnje. Modifikacija površinskog sloja polimera vrši se uvođenjem jona (A1, B, F) ili hemijskim zasićenjem atomima Si, P ili F na dubini od nekoliko mikrona.

Uvođenjem jona s energijom od 10-30 keV stvara se sloj debljine 10-15 milimikrona, obogaćen za proizvodnju aditiva legure u grafitnim ili polimernim materijalima. U hemijskom zasićenju, radikali koji sadrže Si, P ili F uvode se u sloj polimerne strukture na dubini od 1 mikrona. Zahvaljujući unošenju određenih hemijskih elemenata u površinski sloj, materijal dobija sposobnost da pod uticajem akcionarskog društva formira zaštitni film sa neisparljivim oksidima na površini.

Obje metode modifikacije površinskog sloja rezultiraju smanjenjem koeficijenta disperzije polimera pod utjecajem akcionarskog društva na dva ili više naloga.

Sinteza novih polimernih materijala ima za cilj ugrađivanje hemijskih elemenata u njihovu strukturu, na primer Si, P, sposobnih da reaguju sa akcionarskim društvom i formiraju zaštitni sloj od neisparljivih oksida.

2. Metodologija za proučavanje uticaja atomskog kiseonika na polimere

1 Opis metodologije obračuna

U ovom radu izvršeno je matematičko modeliranje formiranja reljefa na površini letjelice i dubine prodiranja atomskog toka u polimer.

Za izvođenje proračuna korišten je dvodimenzionalni model materijala sa podjelom pomoću računske mreže na ćelije jednake veličine. Koristeći ovaj model, proučavani su uzorci polimera sa punilom otpornim na AA (slika 10) i polimera bez punila.

Slika 10. Proračunski dvodimenzionalni model polimera sa zaštitnim punilom.

Model sadrži dvije vrste ćelija: one koje se sastoje od polimera, koji se mogu ukloniti pod djelovanjem AK, i ćelije zaštitnog punila. Proračuni su izvršeni metodom Monte Carlo u aproksimaciji velikih čestica, što omogućava smanjenje obima izvršenih proračuna. U ovoj aproksimaciji, jedna čestica odgovara ~107 atoma kiseonika. Pretpostavlja se da je poprečna veličina ćelije materijala 1 μm. Broj atoma kiseonika u jednoj uvećanoj čestici i verovatnoća interakcije čestica sa materijalima odabrani su na osnovu rezultata laboratorijskih eksperimenata raspršivanja polimera AA strujom. U opštem slučaju, model interakcije AA toka sa metom uzeo je u obzir procese zrcalnog i difuznog raspršivanja atoma kiseonika po ćelijama, od kojih se svaki karakteriše sopstvenom verovatnoćom. Uz difuzno rasipanje atoma, pretpostavljalo se da oni gube oko trećine početne energije u svakom činu interakcije. Model koji se razmatra omogućava izvođenje proračuna za bilo koji upadni ugao atoma na metu. Glavni parametri modela prikazani su u tabeli. 6.

Monte Carlo metoda se podrazumijeva kao numeričke metode za rješavanje matematičkih problema modeliranjem slučajnih vrijednosti. Kada se ova metoda koristi za simulaciju procesa interakcije zračenja sa materijom, pomoću generatora slučajnih brojeva, igraju se parametri procesa interakcije. Na početku svakog događaja uspostavljaju se ili reprodukuju početna tačka, početna energija i tri komponente impulsa čestice.

(2.1)

Gdje je presjek optičke interakcije za jedan atom, je optički presjek interakcije za sve atome tvari. Zatim postoji tačka u kojoj se izračunavaju čestice nakon slobodnog kretanja i gubitak snage čestice u ovoj zapremini. Igra se porijeklo omjera sekcija mogućih reakcija, energija svih produkta reakcije i smjer za koji oni polijeću. Tu je i proračun sekundarnih čestica i naknadnih događaja.

U modeliranju su korištene sljedeće pretpostavke:

uvećane čestice ne stupaju u interakciju sa zaštitnim premazom; ako čestica udari u premaz, napušta proračun;

Razmotrili smo sljedeće kanale interakcije između čestica i materije:

kemijska reakcija s stvaranjem hlapljivih oksida, što dovodi do uklanjanja polimernog kaveza iz modela;

zrcalna refleksija čestica od površine polimera, u kojoj se energija čestice nakon refleksije ne mijenja;

disperzija prostiranja čestica, koja je praćena gubitkom čestice određenog udjela energije u svakom slučaju disperzije.

Blok dijagram algoritma za izračunavanje interakcije uvećane čestice atomskog kiseonika sa modelom prikazan je na Sl. jedanaest.

Slika 11. Blok dijagram algoritma proračuna

2.2 Magnetoplazmodinamički akcelerator kisikove plazme DZZP MSU

Na štandu se izvode studije o uticaju strujanja plazme u širokom energetskom opsegu na materijale spoljašnjih površina svemirskih letelica, simulirajući kako prirodne uslove jonosfere, tako i uticaj veštačkih plazma mlazova električnih raketnih motora.

Krug akceleratora je prikazan na sl. 12 . Anoda 1, srednja elektroda 2 (PE), šuplja katoda 3 unutar solenoida 4. Formacijski gas (kiseonik) se dovodi u anodnu šupljinu, a inertni gas (argon ili ksenon) se propušta kroz šuplju katodu. PE šupljina se evakuiše kroz vakuumski vod 5. Ova šema omogućava da se poveća izdržljivost katode i čitavog izvora, a takođe, usled kompresijskog pražnjenja, smanji sadržaj nečistoća elektrodnih materijala u protoku plazme na 4,10 -6.

Slika 12 Magnetoplazmodinamički akcelerator kisikove plazme DZZP MSU: 1 - anoda; 2 - feromagnetna srednja elektroda; 3 - šuplja termička katoda; 4 - solenoid; 5 - dodatna vakuumska pumpna cijev; 6 - elektromagnet skretanja

Kiseonička plazma formirana u prazninu se ubrzava kada električno polje koje nastaje u divergentnom magnetnom polju solenoida teče u vakuum. Prosječna energija jona u protoku regulirana je u rasponu od 20-80 eV uz promjene načina napajanja i plina. U ovom slučaju, gustina protoka iona i neutralnih čestica kiseonika na površini uzorka površine 10 cm2 je (1-5) ⋅1016 cm-2 ⋅s-1, što odgovara efektivnoj (svedenoj na energiju od 5 eV u poliimidnom ekvivalentu) - (0,6-8) ⋅1017 cm-2 ⋅s-1.

Da bi se formirao neutralni snop i atomi kiseonika molekula formiranih iz izlaznog toka naelektrisanih čestica plazme duž linija magnetnog polja solenoida, zakrivljenog odbijajućeg elektromagneta 6. Energija neutralnih čestica u tako formiranom molekularnom snopu se smanjuje na 5− 10 eV pri gustini fluksa od 1014 cm-2 ⋅s-1.

Energetska distribucija jonske komponente se meri pomoću tromrežnog analizatora polja usporavanja, njen intenzitet pomoću dvostruke sonde, a njen maseni sastav pomoću monopolnog masenog spektrometra MX-7305. Prosječni maseni parametri molekularnog snopa određuju se iz tokova energije i impulsa pomoću termistorskog bolometra i torzijske vage. Vakum sistem štanda je napravljen diferencijalnim pumpanjem polifenil eter difuzionim pumpama sa radnom brzinom od 2 i 1 m3 ⋅s−1. Radni vakuum je (0,5−2) ⋅10−2 Pa pri potrošnji kiseonika 0,2−0,5 cm3 ⋅s−1 i Ar ili Xe - 0,1−0,2 cm3⋅ s−1.

3. Rezultati proračuna

3.1 Opis i poređenje dobijenih podataka sa eksperimentalnim proračunima

Rezultati laboratorijskog modeliranja poliimidne erozije u području defekata zaštitnog premaza prikazani su na Sl. 13 fluence F = 1,3∙1020 atom/cm2. Zračenje dovodi do pojave šupljine sa zaglađenim profilom. Protok izmjenične struje padao je na uzorak pod uglom od 90 stepeni.

Slika 13 Profil šupljine u polimeru pri fluensu atoma kiseonika F=1,3∙1020 atom/cm2

Rezultat prikazan na slici 1 odgovara slučaju "širokog defekta" - dubina šupljine je mnogo manja od širine defekta zaštitnog premaza. Broj atoma kiseonika koji odgovara jednoj uvećanoj čestici izračunava se iz koeficijenta erozije polimera. Za poliimid, koeficijent erozije λ iznosi 3∙1024 cm3/atom. Broj uvećanih čestica potrebnih za reprodukciju profila tokom matematičkog modeliranja u slučaju kada svaka agregirana čestica uklanja jednu polimernu ćeliju izračunava se po formuli:

M = FλW2 / Wd (3.1)

gdje je F (atomi/cm2) tok AK, λ ( cm3/atom) - koeficijent erozije, W (ćelije), Wd (cm) - širina defekta u zaštitnom premazu. Na primjer, da bi se simulirao profil prikazan na slici 3 sa veličinom ćelije od 0,1 μm, potrebno je M0 ≈ 12.000 agregata. Kada se koristi matematički model sa jednokratnim ili višestrukim raspršivanjem, broj povećanih čestica M1 potrebnih za reprodukciju eksperimentalnog profila razlikuje se od smanjene vrijednosti M0. Poređenje rezultata proračuna i eksperimenta omogućava nam da odredimo broj povećanih čestica M1 potrebnih za simulaciju specifičnog fluencea sa odabranim parametrima matematičkog modela.

Pojava šupljine koja se formira u polimeru kada AK protok pada (fluence F = 1,6 × 1020 atom/cm2) pod uglom od 30 stepeni u odnosu na normalu prikazan je na Sl. 14 . Na slici je prikazana karakteristična slojevita struktura polimera, koja uzrokuje razlike u profilima šupljina u različitim presjecima

Slika 14 Poprečni presjek šupljine u poliimidu sa zaštitnim premazom nakon ozračivanja AA strujom sa fluensom F=1,6∙1020 atom/cm2 pod upadnim kutom od 30 stepeni

Ovaj dio predstavlja rezultate matematičkog modeliranja procesa erozije u prisustvu višestrukog zrcalnog ili difuzijskog raspršenja. Za najbolji odabir parametara raspršenja čestica izmjenične struje u matematičkom modelu izvršena je serija proračuna s različitim koeficijentima raspršenja. Vjerojatnosti korištene za višestruko zrcalno i difuzno raspršivanje prikazane su u Tabeli 7.

Tabela 7 - Parametri raspršenja u matematičkom modelu.

OptionabvgdMirror (REFL)1.00.70.50.30Diffuse (DIFR)00.30.50.71.0

Rezultati prikazani na sl. 3.1 su dobijeni višestrukim raspršivanjem sa smanjenjem energije čestica nakon svakog događaja difuznog raspršenja do termičkog (~ 0,025 eV). Nakon svakog događaja difuzijskog raspršenja, vjerojatnost kemijske reakcije između čestice i polimera opada prema parametrima modela prikazanim u tablicama 6 i 7. Na slici 15 prikazani su rezultati matematičkog modeliranja erozije obloženog polimera. Poprečne dimenzije uzorka su 100 µm, debljina zaštitnog sloja je 1 µm, promjer rupe u zaštitnom sloju je 10 µm, veličina ćelije je 0,5 µm. Upadni ugao uvećanih AK čestica je 70 stepeni. Broj uvećanih čestica u svakom slučaju odabran je na način da dubina šupljine pri normalnom upadu AC odgovara eksperimentalnim podacima dobijenim pri fluensu od F = 1,3 × 1020 atom/cm2.

Na sl. Na slici 15 prikazani su dobijeni proračunati profili materijala za upadni ugao atoma kiseonika od 70 stepeni sa zaštitnim premazom.

Slika 15. Rezultati modeliranja procesa erozije polimera sa zaštitnim premazom pri višestrukom raspršenju čestica.

Na osnovu poređenja eksperimentalnih (sl. 13, 14) i proračunskih podataka, odabrani su sledeći parametri modela za dalje proračune: verovatnoća zrcalne refleksije R = 0,3; Vjerovatnoća difuznog raspršenja je D = 0,7, upoređujući eksperimentalni i izračunati profil, možemo reći da je korištenjem omjera širine defekta u zaštitnom premazu i dubine šupljine formirane u polimeru primijenjeni matematički model prilično dobro opisuje eroziju polimera. Mora se naglasiti da prikazani matematički model i rezultati dobijeni uz pomoć njega odgovaraju slučaju „širokog defekta“. Za proširenje modela na slučaj "uskog defekta", potrebni su komplementarni eksperimentalni podaci o cijepanju polimernih tokova visokofluentnih JSC uzoraka.

Polimerna jedinjenja su takođe sklona da imaju remetilački efekat na kompaniju. Ulogu zaštitnog materijala u ovom slučaju obavljaju složene čestice punila. U proizvodnji polimernih jedinjenja, u mnogim slučajevima efekat kombinovanja nanočestica u okrugle konglomerate prečnika ~0 1-5 mikrona, koji su jasno vidljivi nakon značajnog graviranja zajedničkim tokom, očigledno je prikazan na slici. 16 jasno pokazuje da nastale sferične mikročestice štite područja polimera ispod njih od sazrijevanja atomskog kisika.

Crtanje. 16. Struktura modificiranog poliimida nakon izlaganja strujanju AA

3.2. Proučavanje uloge distribucije punila u pripovršinskom sloju kompozita

U ovom dijelu proučavan je kompozit s punilom u pripovršinskom sloju i veličina čestica punila. Modeli su se razlikovali po veličini čestica punila, ali je ukupna količina punila ostala ista. Tako smo proučavali ulogu ujednačenosti distribucije punila i izračunali vrednosti kao što su: 1) površina udaljenih polimernih ćelija pod različitim uglovima upada AA čestica i prečnika čestica punila, 2) smanjenje AA teče dok prodire u debljinu materijala.

Primjer proračuna kompozitnih profila nakon izlaganja strujanju naizmjenične struje prikazan je na slici 17. Ovdje i ispod, kompozitni materijal za punjenje je prikazan crnom bojom, a urezana područja polimera prikazana su bijelom bojom.

Slika 17 Rezultati modeliranja procesa erozije polimernih kompozita sa različitim prečnikima čestica punila tokom višestrukog raspršenja: a - 3,0 μm; b - 3,56 µm.

Kao što vidimo, u ovom slučaju, priroda oštećenja pripovršinskih slojeva materijala je vrlo slična onoj koju smo vidjeli u eksperimentu, što je prikazano na slici 16. Ispod čestica punila polimernih kompozita različitih promjera koji su otporan na atomski kiseonik, vide se neoštećene karike polimernih materijala koje su zaštićene od procesa erozije. U prazninama u kojima nema zaštitnih čestica punila vidimo urezana područja polimera. Možemo reći da se polimeri koji nisu uništeni skladište ispod zaštitne čestice, ali se uništavaju između čestica. Grafikoni zavisnosti površine nokautiranih polimernih ćelija od upadnog kuta za višestruko i jednostruko raspršenje AA čestica prikazani su na Sl. 18.

Slika 18. Zavisnost površine nokautiranih polimernih ćelija od upadnog ugla: a - za višestruko rasipanje; b - za jednostruko rasipanje.

AK-otporna punila u polimernim kompozitima značajno smanjuju gubitak mase materijala pod utjecajem atomskog kisika, dok se efikasnost procesa erozije smanjuje smanjenjem veličine čestica punila i povećanjem ujednačenosti njihove distribucije u polimeru. matrica.

Sličan izgled imaju grafovi ovisnosti površine nagrizanih polimernih ćelija o kutu upada AA čestica za jednokratno i višestruko raspršivanje. Smanjenje ugla upada AA čestica u odnosu na normalu dovodi do smanjenja količine ugravljenog polimera. Ovo se može objasniti činjenicom da kada se upadni ugao AA smanji, većina AA čestica se eliminiše iz proračuna kao rezultat interakcije sa zaštitnim punilom. Učinak na otpornost polimera na AA ovisi o raspodjeli čestica punila, odnosno što je veći promjer čestica punila, veća je površina uklonjenih polimernih ćelija.

3.3 Analiza zaštitnih svojstava punila na osnovu podataka o slabljenju protoka AA

Kako atomi kisika prodiru u debljinu mete, njihov fluks se smanjuje zbog interakcije s materijalom. Na slici 19 prikazane su ovisnosti koje karakteriziraju smanjenje AA fluksa na različitim dubinama od ciljne površine za polimerni materijal bez punila i s punilom različitih promjera. Smanjenje fluksa nastaje zbog interakcije AA sa ćelijama polimera i punila, kao i zbog raspršivanja i refleksije AA u suprotnom smjeru. U ovom slučaju proračun je izvršen za normalnu incidenciju atoma kiseonika na meti sa višestrukim rasipanjem AA na polimeru.

Slika 19. Zavisnosti smanjenja AA fluksa na različitim dubinama od ciljne površine za polimerni materijal bez punila i sa punilom različitih promjera.

Za model kompozita sa česticama punila promjera 3,56 μm, sličan proračun je proveden pri različitim uglovima upada strujanja AA na površinu (slika 20). Čestice zaštitnog punila nalaze se na dubini od 0 - 10 mikrona. Na grafikonima prikazanim na sl. 20, ovo područje odgovara bržem smanjenju relativnog protoka AC. Kako se ugao upada AA na metu povećava, efektivna ukupna površina čestica punila se povećava, što dovodi do bržeg smanjenja relativnog fluksa AA.

Rice. 20 Zavisnosti smanjenja AC fluksa na različitim dubinama pri različitim uglovima upada na površinu.

4 Proučavanje uloge distribucije punila u volumenu kompozita

U ovom dijelu smo istražili kako raspodjela punila po volumenu kompozita utječe na njega. Napravili smo nekoliko modela koji se razlikuju po prečniku čestica punila i redosledu njihovog rasporeda. Za proračun smo uzeli prečnik čestica punila, koji je jednak 3,0 μm za modele 6,7 i 3,56 μm za modele 8, 9. Postoje dve opcije za raspored čestica punila - ujednačen, gde je raspored čestice punila su raspoređene i neravne, gdje su čestice jedna ispod druge. Primjer proračuna rezultata djelovanja strujanja AA na kompozite s različitim rasporedom čestica punila u volumenu prikazan je na slici 21.

Slika 21 Rezultati modeliranja procesa erozije kompozita sa različitim lokacijama čestica punila u zapremini kompozita: a, b - prečnik čestica punila 3,0 mikrona; c, d-3,56 µm.

Na slici 21, profili b i d su otporniji na efekte strujanja AA, to je zbog činjenice da njihove čestice punila imaju ujednačen raspored, tj. imati red na šahovnici. A profili a i b su manje otporni na efekte tečenja, jer imaju neravnomjernu raspodjelu čestica punila, koje se nalaze jedna ispod druge. Sa ujednačenim rasporedom čestica punila, jasno je da ima mnogo manje urezanih područja polimera nego kod neravnomjernog rasporeda čestica. Zatim smo izračunali ovisnost udaljenih polimernih ćelija o kutu upada AA čestica za različite distribucije punila po volumenu kompozita, što se može vidjeti na Sl. 22.

Slika 22 Zavisnost površine nokautiranih ćelija od upadnog ugla: a - model 6,7 D = 3,0 µm; b - model 8, 9 D= 3,56 µm

Na slici 22 a, b, grafovi ujednačene raspodjele čestica punila za modele 6 i 9 su najotporniji na djelovanje atomskog kisika, jer pri istim uglovima incidencije AA čestica, površina izbačenih ćelija je mnogo manja od one neravnomerne distribucije čestica punila u modelima 7 i 8.

Model 6

Model 8

Fig.23. Ovisnost površine udaljenih polimernih ćelija o broju uvećanih čestica atomskog kisika, uzimajući u obzir refleksiju AA od čestica kompozitnog punila s ravnomjernom i neravnomjernom raspodjelom punila, prečnik punila modela 6, 7 je 4,6 μm, model 8,9 je 3,24 μm.

Na sl. 23, ovisnost površine udaljenih polimernih ćelija o broju uvećanih čestica atomskog kisika model 6 pokazuje kojom se "brzinom" jetkanje polimera događa pri različitim uglovima upada čestica kisika i pri različitoj uniformnosti punila. distribucija. Vidi se da je pri 90 stepeni zavisnost skoro linearna, odnosno sa povećanjem broja AA čestica u proračunu dolazi do daljeg uništavanja materijala. Pod drugim uglovima upada, brzina nagrizanja se postepeno smanjuje sa povećanjem broja AA čestica. A za što ravnomerniju distribuciju (model 9), čak i na 90 stepeni polimer je dobro zaštićen, tj. polako se uništava.

Zaključak

Dakle, mogu se izvući sljedeći zaključci:

Proučavali smo fenomene hemijskog prskanja materijala iz literature, određivali parametre koji karakterišu intenzitet procesa hemijskog prskanja;

Proučavali smo metode matematičkog modeliranja procesa hemijskog raspršivanja polimera atomskim kiseonikom i laboratorijsko istraživanje ovog fenomena;

Izvršili smo kompjutersku simulaciju procesa površinske erozije tipičnih polimera i kompozita na njihovoj osnovi pod uticajem atomskog kiseonika;

Proveden laboratorijski eksperiment hemijskog raspršivanja polimernog kompozita atomskim kiseonikom;

Uporedili smo proračunske i eksperimentalne podatke, analizirali dobijene rezultate i doneli praktične zaključke.