Исследование оптических свойств, фото- и радиационной стойкости порошков диоксида циркония и терморегулирующих покрытий изготовленных на их основе Веревкин Алексей Сергеевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Веревкин Алексей Сергеевич. Исследование оптических свойств, фото- и радиационной стойкости порошков диоксида циркония и терморегулирующих покрытий изготовленных на их основе : Дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.07 : Томск, 2004 131 c. РГБ ОД, 61:05-1/261

Введение к работе

Актуальность темы. Актуальной физической и материаловедческой задачей является поддержание заданного теплового режима космических аппаратов (КА), который обеспечивается активными и пассивными системами терморегулирования (СТР). Активные СТР представляют собой специальные жалюзи, соединенные системой трубопроводов, по которым циркулирует рабочее тело (сжиженный газ). В зависимости от тепловой нагрузки изменяется угол раскрытия жалюзей и, соответственно, количество отводимого тепла в космическое пространство (КП). Такие системы громоздки, тяжелы и требуют управления. Поэтому наряду с ними используются пассивные СТР, которые представляют собой терморегулирующие покрытия (ТРП), наносимые на радиаторы или непосредственно на охлаждаемые приборы. Температура КА при пассивном терморегулировании определяется количеством поглощенной солнечной энергии, зависящим от интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения (я₃), и количества тепла, выделенного бортовой аппаратурой и излучаемой в КП, которое определяется излучательной способностью материала или степенью черноты (є). По соотношению коэффициентов о,ис покрытия могут быть от хорошо отражающих до хорошо поглощающих. В КА в большинстве случаев применяются покрытия класса «солнечные отражатели» (СО), характеризующиеся значениями коэффициентов a_s и є около 0,2 и 0,9, соответственно. В качестве покрытий такого класса может использоваться много материалов, в том числе лакокрасочных и керамических, которые состоят из пигмента и органического или неорганического связующего. Пигментами для покрытий класса СО служат порошки ZnO, Ti0₂, Zn₂Ti0₄, обеспечивающие значения коэффициента поглощения около 0,2, что в некоторых случаях является недостаточным.

Более низкие значения коэффициента поглощения а₃ можно получить, используя порошки Zr0₂. Это возможно вследствие большего по сравнению с вышеупомянутыми пигментами значения ширины запрещенной зоны, что делает его прозрачным в большей части ультрафиолетовой области солнечного спектра. В совокупности с относительно высоким показателем преломления порошки Zr0₂ являются хорошей светорассеивающей системой и перспективным пигментом для использования в отражающих покрытиях КА.

Но вследствие нестехиометричности по кислороду Zr0₂ нестабилен при действии различных ионизирующих излучений (ИИ), что ограничивает возможности его применения в отражающих покрытиях КА.

Поэтому представляет научный и практический интерес исследование оптических свойств порошков диоксида циркония и ТРП на их основе, их стабильности к действию различных ИИ и разработка методов ее увеличения.

Цель работы: Исследование влияния способа модифицирования, изменения гранулометрического состава механическим воздействием и удельной поверхности на фото- и радиационную стойкость порошков диоксида циркония и ТРП, изготовленных на их основе.

Для достижения поставленной цели необходимо:

Провести модифицирование порошков Zr0₂ соединениями, содержащими разновалентные катионы, в том числе ультрадисперсным порошком (УДП), и микрокапсулирование слоями Si0₂.
Выполнить исследования изменений при действии различных ИИ спектров диффузного отражения (рх) в солнечном диапазоне длин волн и коэффициента поглощения а_% jw ТРП, изготовленных на основе порошков диоксида циркония в зависимости от способа их модифицирования.
Исследовать зависимость спектров р^ до и после действия ИИ от среднего размера зёрен порошка Zr0₂.
Исследовать влияние удельной поверхности на оптические свойства и радиационную стойкость порошков ZrC>2.
Рассчитать ожидаемые значения деградации коэффициента поглощения a_s при действии солнечного электромагнитного излучения (ЭМИ) по результатам наземных испытаний на срок до 10 лет.

Научная новизна,

1. В результате исследований изменений спектров р>. и интегрального коэффициента поглощения а₃ установлено, что при модифицировании порошков диоксида циркония увеличивается стабильность оптических свойств покрытий, изготовленных на их основе. Наименьшие изменения коэффициента поглощения а₃ наблюдаются: при облучении электронами для покрытия на основе порошка Zr0₂,

легированного УДП оксида алюминия, в при облучении протонами для покрытия на основе порошка Zr0₂,

легированного нитридом бора, о при совместном облучении, имитирующим условия геостационарной орбиты,

для покрытия на основе порошка, легированного 1масс% УДП оксида

алюминия,

при облучении ЭМИ, имитирующим солнечный спектр, для покрытий на основе порошков ZrOj, модифицированных силикатом стронция и с применением технологии микрокапсулирования в один монослой.

При измельчении порошка Zr0₂ в спектре р^. появляются те же полосы поглощения собственных точечных дефектов, что и при облучении. С увеличением времени измельчения увеличивается эффективность дефектообразования при последующем облучении порошков.
Изучено влияние удельной поверхности на исходные оптические свойства порошков диоксида циркония и их изменение при облучении электронами.
Впервые исследовано влияние степени вакуума и времени пребывания в вакууме на спектры рг порошка диоксида циркония. Показано, что при вакуумировании образуются такие же центры поглощения порошков, как и при облучении порошков.
Предложен алгоритм прогнозирования оптической деградации ТРП по результатам наземных испытаний.

Практическая ценность работы состоит в том, что проведенные исследования стабильности свойств ТРП в зависимости от способов модифицирования пигмента Zr0₂ при действии ИИ, а также учет влияния технологии изготовления порошков, позволят получать и применять в КА стабильные к действию космической радиации отражающие покрытия с исходным коэффициентом поглощения меньшим, чем для покрытий на основе таких пигментов как ZnO, ТЮ₂ или Zn₂Ti04. Это позволит поддерживать заданный температурный режим КА в течение длительных сроков эксплуатации при меньшей площади радиаторов.

Научные положения, выносимые на защиту:

Введение в ХЮ_г таких соединений как BN, смеси MgO и БЮг, УДП А1₂0₃ увеличивает стабильность спектров р*. и коэффициента поглощения а₃ покрытий, изготовленных на их основе при облучении ускоренными электронами и протонами. Эффективность обработки зависит от легирующего соединения и от условий облучения: при облучении электронами более эффективно легирование УДП А1₂Оз, при облучении протонами - BN, при комплексном облучении - обработка 1 масс% А1₂0₃.
Обработка порошка Zr0₂ силикатом стронция увеличивает стабильность спектров ря. и коэффициента поглощения о₃ при облучении ЭМИ, имитирующим солнечное. Оптимальная концентрация SrSi0₃ составляет 1 масс%. Покрытие, изготовленное на основе порошка Zr0₂, легированного 1 масс% силиката стронция, имеет большую фотостойкость по сравнению с покрытием на основе нелегированного пигмента.

Наиболее эффективными способами увеличения фотостойкости покрытий являются легирование пигмента 2тОг силикатом стронция и микрокапсулирование диоксидом кремния в 1 монослой.
Перетирание изменяет гранулометрический, состав, ширину запрещенной зоны и спектры диффузного отражения порошков Zr0₂. После облучения перетертых порошков ускоренными электронами наводится поглощение, обусловленное теми же точечными дефектами, что и при перетирании. Эффективность радиационного дефектообразования увеличивается с увеличением времени перетирания порошка.

Установлена зависимость коэффициента диффузного отражения в области полосы поглощения ионов Zr³*, изменения коэффициента поглощения a_s и интенсивности полос катодолюминесценции (КЛ) при облучении ускоренными электронами от удельной поверхности порошков Zr0₂ различных партий.
Выдержка порошков диоксида циркония в вакууме приводит к изменению спектров диффузного отражения, обусловленному появлением полос поглощения собственных дефектов.
Для оценки стабильности ТРП на основе модифицированных различным способом порошков ZKb не достаточно краткосрочных экспериментальных результатов, необходимо долгосрочное прогнозирование.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной научной конференции «VII Королевские чтения» (г. Самара, 2003), на 8"" Русско-корейском симпозиуме по науке и технологиям (Томск, 2004), IX Международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах» (Кемерово, 2004), на Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2004).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах: 4 статьи в зарубежных и российских журналах, 2 статьи в сборниках материалов конференций, 2 тезисов докладов.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 131 страницу машинописного текста, иллюстрируется 85 рисунками и 18 таблицами.