Исследование процесса и разработка технологиинанесения специальных покрытий на деталикосмических аппаратов из углеродных композиционных материалов Плотников, Андрей Николаевич

Введение к работе

Актуальность работы. В конструкциях космических аппаратов (КА) нового поколения все более широкое применение находят неметаллические и полимерные композиционные материалы. При этом достигается не только существенное снижение массы, но и в ряде случаев удается получить изделия, обладающие качественно новыми свойствами. Так, при создании систем космической связи и зондирования поверхности Земли возникла необходимость в разработке орбитальных приемно-передающих комплексов, работающих в сантиметровом и миллиметровом волновом диапазоне. Для устойчивой работы такого комплекса необходим антенный отражатель с высокой (не менее 96% в миллиметровом диапазоне) отражающей способностью. При этом относительное искажение профиля зеркала не должно превышать 0,03% при температурных перепадах "день-ночь". Металлическая конструкция вследствие больших температурных деформаций не может удовлетворить указанным требованиям, и разработчиками антенных устройств было принято решение использовать углеродный композиционный материал (КМУ). Однако данный материал обладает низкой электропроводностью, и для обеспечения требуемой отражающей способности зеркало антенны должно быть металлизировано. Принципиальная возможность получения требуемых радиотехнических характеристик на антенне из КМУ с металлическим покрытием следует из известного факта о том, что высокочастотная электропроводность металла определяется тонким поверхностным (~10 мкм) слоем.

Близкие проблемы, связанные с необходимостью металлизации полимерных и композиционных материалов, возникают также для целого ряда перспективных деталей КА (соединители кабелей бортовой аппаратуры, корпуса электроприборов и т.д.). Решение этих проблем позволяет существенно увеличить массу полезной нагрузки на борту КА и повысить его эффективность.

Однако, несмотря на наличие и разнообразие промышленных технологий металлизации полимеров, металлизация материалов типа КМУ сопряжена с целым рядом трудностей, обусловленных физико-химической природой данных материалов. Входящие в их состав полимерные связующие являются химически инертными диэлектриками с низкой температурой деструкции - порядка 180 ⁰⁰С, что сильно ограничивает возможности термической активации адгезии. С другой стороны, армирующие углеродные волокна могут служить естественными капиллярами для воды и других поверхностно-активных жидкостей, поэтому химико-гальванические методы металлизации становятся неприменимы.

По результатам предварительных исследований одним из наиболее перспективных является метод вакуумного ионно-плазменного напыления, обладающий возможностью нетермической активации образования адгезионной связи за счет ионной бомбардировки поверхности конденсации. Однако несмотря на существенный вклад в разработку метода вакуумного ионно-плазменного

напыления как наших, так и зарубежных ученых, возможности обработки данным методом материалов типа КМУ до настоящего времени остаются недостаточно исследованными. Кроме того, имеющееся технологическое оборудование требует доработки на предмет повышения интенсивности нетермической активации адгезии металлического конденсата к полимерной основе.

Общеизвестно, что на прочность системы "покрытие-основа" большое влияние оказывают остаточные напряжения (ОН). Тем более в случае такого разнородного соединения, как полимер-металл. Однако, как показывает анализ результатов работ, выполненных в данном направлении, они не дают полного представления о взаимосвязи ОН с условиями роста покрытия, а в некоторых случаях имеет место их противоречивость.

Цель работы. Повышение надежности и снижение массы антенных устройств космических аппаратов за счет разработки и внедрения в их производство технологии металлизации конструкций из углеродных композиционных материалов на полимерной основе.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать основные закономерности процесса конденсации потока ускоренных металлических частиц на полимерной основе.

2. Исследовать закономерности формирования струи плазмы металла в электродуговом генераторе и возможности повышения интенсивности нетермической активации адгезии металлического конденсата.

3. Разработать математическую модель формирования ОН при наращивании металлических покрытий на поверхности полимерных изделий.

4. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований формирования покрытий и ОН в них выявить основные закономерности процесса и разработать рекомендации по составу и структуре покрытия, а также определить диапазоны технологических параметров.

5. Провести экспериментальные исследования физико-механических и эксплуатационных характеристик металлизированного материала КМУ-4Л.

6. Разработать и внедрить в производство КА технологию нанесения радиоот-ражающего покрытия на зеркало параболического отражателя антенны космического базирования из КМУ-4Л.

Автор выносит на защиту:

7. Схему электродугового плазменного генератора с магнитной ловушкой электронов, методику и результаты расчета профиля анода и устройство для обработки диэлектрических подложек в тлеющем разряде.

8. Математическую модель процесса формирования ОН, возникающих при нанесении многослойных покрытий на сферическую поверхность.

9. Состав многослойного радиоотражающего покрытия и способ его получения на зеркале параболического отражателя из КМУ-4Л антенны космического базирования.

4. Результаты экспериментальных исследований физико-механических и эксплуатационных характеристик многослойных покрытий на образцах и деталях из углеродного композиционного материала КМУ-4Л.

5. Технические требования и типовой технологический процесс вакуумной ионно-плазменной металлизации изделий из полимерных и композиционных материалов.

6. Технологию металлизации зеркала бортовой параболической антенны из КМУ-4Л и результаты ее внедрения в производство КА.

Научная новизна.

1. Предложен способ повышения интенсивности ионизации и ускорения струи плазмы металла электродугового катодного генератора путем создания в межэлектродном пространстве магнитной электронной ловушки и разработана расчетная методика определения магнитоэлектрических и геометрических параметров схемы генератора.

2. Разработана математическая модель процесса формирования ОН, возникающих при наращивании покрытия на криволинейную поверхность. Модель построена в рамках термоупругости растущего неоднородного твердого тела с использованием интегральной формулировки краевой задачи термоупругости для неоднородного тела.

3. Установлены предельные характеристики процесса тепло-массообмена в системе покрытие-основа при вакуумном ионно-плазменном напылении на полимерные подложки.

Практическая значимость.

4. Разработана и исследована схема технологического электродугового генератора металлической плазмы с магнитной ловушкой электронов, позволяющая существенно расширить технологические возможности и повысить качество получаемых покрытий.

5. Выявлены основные закономерности формирования напряженного состояния в системе покрытие-основа при наращивании многослойных металлических покрытий на поверхности полимерных изделий, а также разработаны технологические рекомендации по температурному режиму нанесения многослойных покрытий.

6. Разработаны состав, структура и технология нанесения многослойного ра-диоотражаюшего покрытия на зеркало параболической антенны из КМУ-4Л, обеспечивающие повышение надежности и снижение массы радиотехнического комплекса КА.

7. Разработаны руководящие технические материалы "Технические требования и типовой технологический процесс вакуумной ионно-плазменной металлизации деталей из полимерных и композиционных материалов".

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в производство на предприятии ГНП РКЦ "ЦСКБ-ПРОГРЕСС" и используются при изготовлении антенных устройств и металлизации полимерных деталей КА.

Реализация результатов работы подтверждена актом внедрения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях: "Практика разработки и внедрения новых методов нанесения покрытий", ВНТК, Челябинск, 1986 г.; "Пути ускорения НТП", ОНТК, Куйбышев, 1986 г.; Применение ионно-плазменной технологии для металлизации КМ //Опыт и перспективы применения композиционных материалов в машиностроении, Куйбышев, 1989.; "Математическое моделирование систем и явлений", Самара, 1995 г.; "Генная инженерия в сплавах", Самара, 1998 г.; Китайско-Российско-Украинском симпозиуме по космонавтике и технологиям, КНР, Сиань, 1994 г. и др.

Публикации. По тематике диссертации опубликована 31 печатная работа в центральной печати, включая 1 монографию, 8 статей; получено 5 авторских свидетельств на изобретения.

Объем работы: Диссертация содержит 151 страницу машинописного текста, 46 рисунка, 14 таблиц и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения.