Моделирование воздействия атомарного кислорода на материалы искусственных спутников Земли

Resumo

Представлено описание разработанного в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ имени М. В. Ломоносова магнитоплазмодинамического ускорителя и созданного на его основе лабораторного стенда для моделирования воздействия атомарного кислорода верхней атмосферы Земли на материалы низкоорбитальных спутников. Рассмотрена методика моделирования, приведены примеры результатов лабораторных исследований. Изложены основные положения и результаты расчетно-теоретических исследований разрушения атомарным кислородом приповерхностных слоев полимерных материалов.

Texto integral

Введение

Атомарный кислород (АК) является основным компонентом атмосферы Земли в интервале высот ~200…700 км. Данные об изменении границ этого высотного диапазона и концентрации АК на разных высотах в зависимости от солнечной и геомагнитной активности обобщены в современной Международной справочной атмосфере CIRA-2012 [1]. В верхней атмосфере Земли при температуре T ~ 1000 K средняя тепловая энергия атомов составляет около 0.1 эВ, но по отношению к искусственному спутнику Земли (ИСЗ), движущемуся со скоростью ~ 8 км·с⁻¹, кинетическая энергия атомов набегающего потока составляет около 5 эВ, что усиливает окислительную способность АК. В результате при взаимодействии атомов кислорода с материалами происходит образование летучих окислов, уходящих в окружающее пространство, и в конечном итоге – эрозия поверхности материалов и потеря ими массы [2]. Такой механизм повреждения материалов часто называют химическим распылением в отличие от физического распыления, обусловленного передачей налетающей частицей импульса атомам вещества мишени. В наибольшей степени подвержены разрушающему воздействию АК полимерные материалы, широко используемые на поверхности современных ИСЗ в виде пленок, нитей и тканей, конструкционных элементов и т. п. Для полимеров толщина уносимого с поверхности слоя может достигать нескольких десятков микрометров за год пребывания ИСЗ на низкой околоземной орбите [3].

На протяжении длительного времени воздействие АК на материалы изучалось главным образом применительно к орбитальным космическим станциям («Мир», МКС и др.), высота орбит которых составляет 350…400 км. В настоящее время интерес к подобным исследованиям сильно возрос в связи с созданием многочисленных низкоорбитальных космических систем различного назначения, в составе которых ИСЗ должны работать на высотах 200…300 км. Выведение ИСЗ на столь малые высоты удешевляется, для таких ИСЗ значительно снижается минимально необходимый уровень мощности радиотехнических устройств при одновременном достижении улучшения пространственного разрешения и повышения быстродействия приборов дистанционного зондировании земной поверхности. Однако на малых высотах ИСЗ испытывают сильное торможение в атмосфере, что требует периодической корректировки их орбит, но затраты на проведение этих операций компенсируются отмеченными выше преимуществами низкоорбитальных ИСЗ.

Из данных справочника [1] следует, что снижение высоты орбиты с 400 км до 200 км вызывает увеличение концентрации АК на один – два порядка, в зависимости от уровня солнечной активности. Следовательно, для малых высот требуется тщательное изучение как закономерностей изменения воздействующих на ИСЗ потоков АК, так и механизмов разрушения материалов поверхности при высоких плотностях потоков. Для проведения подобных исследований непосредственно в космическом пространстве уже созданы специализированные ИСЗ и приборы [4–7]. Соответственно повышаются требования и к моделирующим лабораторным стендам, которые должны обеспечивать возможность проведения ускоренных испытаний материалов при больших (10²²…10²³ см^‒2) флюенсах АК. Последнее стимулируется и работами по созданию Российской орбитальной станции, рассчитанной на продолжительное функционирование (https://rg.ru/2023/04/12/sleduiushchaia-stanciia-ros.html).

В Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ) для моделирования воздействия АК верхней атмосферы Земли на материалы разработан уникальный магнитоплазмодинамический ускоритель и на его основе построен лабораторный имитационный стенд, исследования на котором проводятся в течение длительного времени. Для решения научных и прикладных задач испытаны десятки различных материалов ИСЗ: полимерные пленки, ткани и нити, защитные и функциональные покрытия, полимерные композиты, в том числе с наноразмерными наполнителями. Изучались эффекты деструкции материалов при воздействии АК и изменение различных свойств материалов: механических, оптических, электрических и др. В последние годы наряду с экспериментальными исследованиями интенсивно ведется расчетно-теоретическое изучение воздействия АК на полимеры, композиты на их основе и наноструктуры.

Методика экспериментальных исследований

Магнитоплазмодинамический ускоритель

Схема созданного в НИИЯФ МГУ магнитоплазмодинамического ускорителя кислородной плазмы с внешним магнитным полем показана на рис. 1а [8–10]. Анод 1, ферромагнитный промежуточный электрод 2, отделенный от анода изолятором 3, и полый катод 4 установлены внутри соленоида 5. Плазмообразующий газ 6 (кислород) подается в полость анода, а инертный газ 7 (аргон или ксенон) пропускается через полый катод. Полость промежуточного электрода откачивается через патрубок 8. Вспомогательный отклоняющий электромагнит 9 служит для удаления из плазменного потока заряженных частиц.

Рис. 1. Схема магнитоплазмодинамического ускорителя кислородной плазмы НИИЯФ МГУ (а) и фотография струи кислородной плазмы на выходе из сопла ускорителя (б).

При разогреве термоэлектронного катода и включении анодного напряжения в полости между катодом и промежуточным электродом зажигается электрический разряд в смеси кислорода, засасываемого в эту полость вследствие откачки через патрубок 8, и подаваемого инертного газа. Далее разряд распространяется в конусообразную полость анода, где электроны совершают сложное спиралеобразное движение, создавая продольную составляющую электрического поля для ускорения положительных ионов и обеспечивая квазинейтральность плазменной струи, выходящей из сопла ускорителя (рис. 1б).

Средняя энергия ионов в плазменном потоке регулируется в диапазоне 20…40 эВ путем изменения режимов электрического и газового питания. При этом плотность потока ионов и нейтральных частиц кислорода на расстоянии 0.2 м от среза анода в плоскости размещения исследуемых образцов составляет (1–5)⋅10¹⁶ см⁻²⋅с⁻¹, что соответствует эффективной (приведенной к энергии 5 эВ) плотности потока атомов кислорода (0.6–8)⋅10¹⁷ см⁻²⋅с⁻¹. Для формирования нейтрального пучка атомов и молекул кислорода ионы могут выводиться из плазменного потока дополнительным отклоняющим электромагнитом 9. Энергия нейтральных частиц в созданном таким способом пучке уменьшается до 5…10 эВ при плотности потока 10¹⁴ см⁻²⋅с⁻¹.

Для снижения содержания примесей материалов электродов в потоке плазмы в ускорителе реализовано геометрическое ограничение и магнитное сжатие (контрагирование) области разряда, что обеспечило содержание примесей не выше 4⋅10^–6 [11, 12].

Плазменно-пучковый лабораторный стенд

На базе описанного магнитоплазмодинамического ускорителя построен лабораторный стенд [10] для проведения исследований воздействия АК на материалы космической техники (рис. 2). Стенд содержит одну вакуумную камеру 1, разделенную перегородкой 2 на две части: секцию 3 источника плазмы и измерительную секцию 4. Плазменный пучок 5 формируется в ускорителе 6 и поступает на образец 7 через сепаратор заряженных частиц 8 и отверстие в перегородке, охлаждаемой водой. Образец испытуемого материала крепится на держателе 9, температура которого поддерживается в диапазоне 10…200°C. Диагностика пучка осуществляется датчиками ионной и нейтральной составляющих 10, 11, размещенными на манипуляторе 12, который позволяет помещать датчики на место образца. Энергетическое распределение ионов исследуется трехсеточным анализатором тормозящего поля. Среднемассовые параметры молекулярного пучка определяются по величинам потоков энергии и импульса термисторным болометром и крутильными весами. Массовый состав ионной составляющей контролируется квадрупольным масс-спектрометром, анализатор 13 которого установлен на фланце камеры, а промежуточный электронный блок 14 соединен с компьютерной системой 15 сбора, регистрации и обработки информации.

Рис. 2. Схема пучково-плазменного лабораторного стенда.

Вакуумная система стенда выполнена с раздельной откачкой обеих секций и ускорителя криогенными насосами 16, 17 и 18 со скоростью откачки 6.0; 2.5 и 0.3 м³⋅с^–1 соответственно. В камере достигается исходный вакуум (3…5)⋅10^–5 Па. В процессе работы установки при типовых расходах плазмообразующего газа (кислорода) 0.2…0.5 см³·с^–1 и рабочих газов полого катода (аргона или ксенона) 0.1…0.2 см³⋅с^–1 вакуум в секции 3 составляет (1…1.5)⋅10^–2 Па, а в секции 4 – (3…5)⋅10^–3 Па.

Методика проведения ускоренных испытаний материалов на стойкость к воздействию атомарного кислорода

Важнейшим показателем стойкости материалов к воздействию АК является потеря ими массы при таком воздействии. Для количественной характеристики потери массы за счет химического распыления обычно используют массовый R_m- и объемный R_V-коэффициенты распыления (эрозии), равные соответственно отношению удельных потерь массы или объема к флюенсу атомов кислорода с размерностями г/атом O или см³/атом O. Использование таких коэффициентов особенно удобно при изучении процессов воздействия АК на полимерные материалы, для которых часто бывает трудно определить массу и состав отдельных фрагментов, удаляемых с поверхности.

При планировании и проведении лабораторных испытаний материалов на стойкость к воздействию АК прежде всего встает вопрос о соответствии используемых флюенсов АК натурным условиям. В этой связи общепринятой является соответствующая стандарту ASTM E2089–00 (2006) [13] методика эквивалентного флюенса, согласно которой рядом с тестируемым образцом устанавливался образец-свидетель из полиимидной пленки (каптон, торговая марка Kapton HN), для которой массовый коэффициент эрозии, измеренный в космических условиях при энергии воздействующих атомов кислорода 5 эВ, известен: R_m = 4.3·10^–24 г/атом O. Используемые в лабораторных экспериментах флюенсы нормируются по этому значению R_m.

Следующим является вопрос об адекватности результатов ускоренных лабораторных испытаний материалов КА при повышенных относительно 5 эВ энергиях атомов кислорода натурным данным. Использование пучков АК повышенной энергии корректно при взаимном соответствии двух рядов данных, характеризующих распыление материалов потоком АК. Результаты такого сопоставления приведены в табл. 1 [14, 15], где в верхней строке представлены отношения массового коэффициента эрозии R_m для разных материалов к коэффициенту эрозии R_k для каптона, полученные в космических экспериментах при энергии атомов кислорода 5 эВ [5, 16–21], а в нижней строке – такие же отношения, полученные на лабораторном стенде НИИЯФ МГУ при энергии атомов кислорода 30 эВ. В табл. 1 представлены данные для следующих материалов: ПИ – полиимид (каптон); ПЭТФ – полиэтилентерефталат (майлар); ПЭНП – полиэтилен низкой плотности; ПГ – пирографит; ПВФ – поливинилфторид (тедлар); ПС – полистирол; ПММА – полиметилметакрилат; ЭП – эпоксидная смола; УП – углепластик. Хорошее совпадение экспериментальных данных, полученных при разных энергиях атомов кислорода, свидетельствует о допустимости проведения лабораторных испытаний при повышенной энергии атомов кислорода.

Таблица 1. Относительные коэффициенты эрозии материалов, полученные в космосе при 5 эВ и на установке НИИЯФ МГУ при 30 эВ

Коэффициенты	Материал
	ПИ	ПЭТФ	ПЭНП	ПГ	ПВФ	ПС	ПММА	ЭП	УП
Rm/Rk при 5 эВ	1.0	1–1.1	>0.8	0.23	1.02–1.12	0.91	>1.8	0.57	0.36–0.41
Rm/Rk при 30 эВ	1.0	1.07	0.93	0.23	1.11	0.94	2.50	0.59	0.38

В связи с обсуждаемой методикой ускоренных лабораторных испытаний материалов весьма интересна зависимость коэффициента эрозии от энергии воздействующих атомов кислорода, представленная на рис. 3 [22]. Здесь приведены результаты измерений объемного коэффициента эрозии полиимида, полученные при разных энергиях атомов кислорода на современных лабораторных установках: PSI (США) [23, 24], ЦАГИ (Россия) [25], UTIAS (Канада) [26], Osaka University (Япония) [27], LANL (США) [28], SNRC (Израиль) [29] и НИИЯФ МГУ, а также в космосе. Из рис. 3 видно, что коэффициент эрозии растет практически линейно при увеличении энергии атомов кислорода до 30…40 эВ. Это подтверждает возможность ускорения лабораторных испытаний за счет повышения энергии воздействующих атомов кислорода, но в то же время требует повышенного внимания при работе вблизи верхней границы указанного энергетического диапазона, где может проявляться физическое распыление материалов.

Рис. 3. Зависимость объемного коэффициента эрозии полиимида от энергии атомов кислорода на основании измерений, проведенных в космосе и на лабораторных установках.

В целом можно констатировать, что на имитационном лабораторном стенде НИИЯФ МГУ происходит практически стократное ускорение испытаний, достигаемое за счет увеличения энергии атомов кислорода и повышения плотности потока АК.

Примеры результатов экспериментальных исследований на имитационном стенде НИИЯФ МГУ

Как уже отмечалось, лабораторным испытаниям на стойкость к воздействию АК были подвергнуты многочисленные материалы разных типов. Данные о стойкости материалов к воздействию АК можно найти в публикации [22]. Здесь приведем лишь некоторые результаты проведенных испытаний. Отметим, что регистрировавшиеся в лабораторных условиях потери массы полиимидом, неоднократно упоминавшемся в качестве эталонного материала, сопровождаются формированием на поверхности материала характерного рельефа (рис. 4), известного в научной литературе как «ковровый ворс» и неоднократно наблюдавшегося на поверхности образцов, экспонировавшихся в космосе. Это является одним из подтверждений соответствия физических процессов деструкции материала, наблюдаемых в лабораторных экспериментах, космическим условиям.

Рис. 4. Рельеф поверхности образца полиимида после воздействия АК на лабораторном стенде НИИЯФ МГУ.

Исследовались различные нити, плетеные ткани и цветные эмали, применяемые на поверхности ИСЗ. Рисунок 5 иллюстрирует характерные изменения, происходящие под действием АК в аримидных нитях, которые образованы полиимидными волокнами. Хорошо видно, что нити становятся распушенными за счет разрушения наружных волокон, что может вызывать деградацию их механических свойств. Аналогичный эффект наблюдался в натурных экспериментах на орбитальной станции «Мир» [30, 31].

Рис. 5. Изображения шва из аримидных нитей до (а) и после (б) воздействия на лабораторном стенде АК с эквивалентным флюенсом 8⋅1021 см–2 (размер изображений 1.5×1.0 мм).

На рис. 6а,б показаны изображения образцов эпоксидной (а) и кремнийорганической (б) эмалей после испытаний на лабораторном стенде [32] (воздействию АК подвергалась правая часть образцов, в то время как левая часть была защищена фольгой). В результате облучения незащищенные участки первого образца утратили первоначальный цвет и стали светлее, в то время как внешний вид второго образца практически не изменился, что свидетельствует о высокой стойкости кремнийорганической эмали к воздействию АК. Этот вывод подтверждается результатами измерения спектрального коэффициента отражения эмалей, которые приведены на рис. 6в,г. Результаты испытаний некоторых терморегулирующих покрытий приведены в работе [33].

Рис. 6. Внешний вид (а, б) и изменение спектрального коэффициента отражения (в, г) эпоксидной (а, в) и кремнийорганической (б, г) эмалей после воздействия АК с эквивалентным флюенсом 1.4⋅10²¹ см^–2 при испытаниях на лабораторном стенде. Штриховыми серыми и черными сплошными линиями показаны результаты измерений до и после облучения соответственно.

Для разработчиков космической техники большой интерес представляют исследования возможности защиты реально используемых материалов от воздействия АК. На стенде исследовались образцы углепластика КМУ-4Л в виде пластин толщиной 1 мм без защитного покрытия и покрытые белой полиэфирной эмалью ЭКОМ-1 [34]. Полученная зависимость удельной потери массы от эквивалентного флюенса АК приведена на рис. 7. Рисунок показывает, что защитное покрытие существенно снижает потери массы.

Рис. 7. Зависимости удельной потери массы углепластика КМУ-4Л без покрытия (серая штриховая линия) и с защитным покрытием (черная сплошная) от эквивалентного флюенса АК.

Однако недостатком тонкопленочных защитных покрытий является их низкая надежность. Из-за малой толщины они легко повреждаются при производстве и эксплуатации, а из-за отличия их физических свойств от свойств подложки наблюдается образование трещин и отслаивание при термоциклировании – периодическом изменении температуры участков поверхности ИСЗ в процессе эксплуатации. На рис. 8 показан фрагмент полиимидной пленки с нанесенным химическим осаждением защитным покрытием SiO₂ после воздействия на стенде АК при эквивалентном флюенсе 2.2·10²¹ см^–2. Наблюдается образование сквозного отверстия и возникновение трещин в защитной пленке.

Рис. 8. Дефекты в защитной пленке SiO₂ после воздействия потока АК.

В связи с указанным недостатком тонкопленочных защитных покрытий рассматривается метод повышения стойкости полимеров к воздействию АК путем введения в приповерхностные слои материалов микро- и наночастиц, устойчивых к воздействию атомов кислорода, вследствие чего приповерхностные слои приобретают структуру матричного композита с порошковым наполнителем. Результаты лабораторных испытаний полученного таким способом полимерного композита показаны на рис. 9 [35]. Рисунок 9а демонстрирует границу между необлученным и облученным участками поверхности образца, а на рис. 9б в более крупном масштабе показана структура, образовавшаяся на облученном участке. Видно, что округлые микрочастицы защищают области полимера, находящиеся под ними, от разрушения потоком АК.

Рис. 9. Граница между необлученным и облученным участками поверхности (а) и структура полимерного композита после воздействия потока АК (б).

Поскольку углеродные нанотрубки рассматриваются как один из наполнителей полимерных композитов, описанных выше, представляет интерес изучение стойкости самих нанотрубок к воздействию АК. На лабораторном стенде был проведен эксперимент по облучению потоком АК так называемого «леса» нанотрубок высотой до 1000 мкм, представляющего собой совокупность стоящих вертикально на подложке многостенных углеродных нанотрубок диаметром 20…100 нм [36]. После облучения на поверхности «леса» возникли многочисленные конусообразные объекты диаметром до нескольких микрометров (рис. 10). Детальный анализ образцов показал, что даже при относительно низком эквивалентном флюенсе АК ~5⋅10¹⁹ см^–2 начиналось интенсивное «распушение» торцов вертикально стоящих углеродных нанотрубок [37]. Обнаруженный эффект был объяснен на основании теоретических представлений, изложенных в следующем разделе.

Рис. 10. а, б – Полученные с помощью растрового электронного микроскопа изображения «леса» нанотрубок до (а) и после (б) воздействия АК при эквивалентном 1.5⋅10²⁰ см^–2; в – эффект «распушения» углеродных нанотрубок.

Расчетные исследования воздействия атомарного кислорода на полимерные материалы

Задача численного моделирования эрозии полимерных материалов под действием АК является крайне сложной, поскольку такое моделирование должно учитывать процессы, относящиеся к кардинально различающимся пространственным и временным масштабам: от реакций между молекулами, которые могут осуществляться за пико- и наносекунды, до разрушения приповерхностных слоев полимерных материалов на поверхности ИСЗ, происходящих в течение месяцев пребывания на низких околоземных орбитах. Для решения этой задачи крайне важным становится применение многомасштабного подхода на основе сочетания методов, которые относятся к различным пространственно-временным диапазонам [38, 39]. Для исследования небольших молекул, содержащих несколько атомов, успешно применяются квантовомеханические методы на основе метода Хартри–Фока и метод теории функционала плотности (англ. density functional theory, DFT) [40]. Моделирование динамики более сложных систем, содержащих более сотни атомов, обычно осуществляется с использованием менее точных полуэмпирических методов, например, метода DFT в схеме сильной связи (англ. density functional based tight-binding, DFTB), который позволяет вполне корректно моделировать образование и разрыв химических связей при высокой вычислительной эффективности [41]. Для расчета потерь масс полимерных материалов и исследования рельефа, возникающего в результате воздействия АК, наиболее эффективны модели на основе метода Монте–Карло. Ниже представлены некоторые результаты расчетных исследований, выполненных в НИИЯФ МГУ.

Взаимодействие сверхтепловых атомов O с полимерными звеньями

Уже отмечалось, что пока нет общепризнанной физико-химической модели, описывающей деструкцию полимеров под действием АК. Известно, что значительная часть падающих на полимер атомов кислорода неупруго отражается. Оставшаяся доля атомов вступает с полимером в химические реакции, которые принято разделять на две группы: реакции термализованных атомов кислорода с полимером после прилипания атомов к поверхности и прямые реакции быстрых атомов с поверхностью. Увеличение энергии падающих атомов кислорода за счет орбитальной скорости ИСЗ приводит к возрастанию сечения реакций второго типа и открытию дополнительных каналов [2]. Для оценки потерь массы материала наиболее важны реакции разрыва C–C-связей, которые могут приводить к образованию летучих соединений CO и CO₂.

Исследование возможных химических реакций, протекающих под воздействием АК на поверхности полиимида, проводилось методом DFTB. В расчетах использовалась модель из двух последовательно соединенных мономеров полиимида C₂₂H₁₀N₂O₅, было рассмотрено 600 случаев попадания сверхтепловых атомов O с начальной энергией 5 эВ в различные пространственные области расчетной модели. В табл. 2 приведены вероятности реализации (доля от общего числа рассмотренных случаев) выявленных при моделировании реакций и их характерные времена [42]. Видно, что наиболее вероятными процессами взаимодействия сверхтепловых атомов O с полиимидом стали неупругое отражение (~27% всех случаев) и адсорбция (~29%) с последующей термализацией адсорбированного атома, в то время как реакции с разрывом прочных C–C-связей характеризовались более низкой вероятностью.

Таблица 2. Вероятности наиболее характерных процессов взаимодействия атомов O с полиимидными звеньями

Реакция	Доля от общего числа случаев, %	Характерное время процесса, фс
Рассеяние атомов O	27.2
Адсорбция	29.3
Разрыв С–С связей	20.5
встраивание атома O	12.5	200–400
полный разрыв	8.0	200–1000
Разделение мономера на два фрагмента	6.3	400–1000
Образование летучих продуктов	16.7
H	1.1	20–30
O	2.0	50
OH	8.7	50–100
CO	0.9	150–500
CO2	4.0	150–500

Моделирование также позволило выявить основные прямые реакции сверхтепловых атомов O с полиимидом, приводящие к образованию летучих продуктов.

C₂₂H₁₀N₂O₅ + O → C₂₂H₁₀N₂O₆ + H

C₂₂H₁₀N₂O₅ + O → C₂₂H₉N₂O₅ + OH

C₂₂H₁₀N₂O₅ + O → C₂₁H₁₀N₂O₅ + CO

C₂₂H₁₀N₂O₅ + O → C₂₁H₁₀N₂O₄ + CO₂

Доля таких реакций составляла около 16%, при этом на достаточно тяжелые летучие продукты CO и CO₂, вызывающие основную потерю массы, приходилось ~4.7%. Анализ расчетных данных показал, что для указанных реакций характерны определенные области взаимодействия налетающих сверхтепловых атомов O с полимером. Также было обнаружено, что первые две реакции происходили очень быстро – в течение 20…100 фс, в то время как более сложные процессы протекали значительно медленнее (табл. 2). Основные стадии реакции с образованием летучей молекулы CO₂, в которой наблюдалось формирование активированного комплекса с его последующим распадом, показаны на рис. 11б.

Рис. 11. Различные стадии реакции образования молекулы CO₂: а – образование активированного комплекса; б – удлинение и разрыв C–N и C–C связей; в – отрыв молекулы CO₂. Атомы O, C, H и N показаны красным, серым, белым и синим цветом соответственно.

Эрозия полимерных материалов

Расчетные исследования разрушения полимерных композитов потоком АК проводились методом Монте–Карло для двумерной модели, показанной на рис. 12а, б. Исследуемый материал разбивался на ячейки размером 0.05…1.0 мкм, которые соответствовали либо полимеру, т. е. могли быть модифицированы или удалены потоком АК, либо материалу, стойкому к воздействию АК (защитному покрытию, частицам наполнителя). Например, в модели, показанной на рис. 12а, верхний защитный слой материала (серые квадраты) имеет дефект, через который АК проникает в слои ячеек, содержащих полимер (белые квадраты).

Рис. 12. а, б – Расчетная модель полимера с защитным покрытием (а) и налетающий поток АК (б). в, г – Результаты моделирования эрозии полимера без учета рассеяния частиц на полимерных ячейках (в) и с учетом рассеяния (г) [43]. д – Полученное с помощью растрового электронного микроскопа изображение профиля каверны в полимере при облучении потоком АК с флюенсом 1.6⋅10²⁰ см^–2 при угле падения 30 градусов.

Расчеты проводились в приближении укрупненных частиц, рассматривались процессы удаления с некоторой вероятностью полимерных ячеек, зеркального отражения и однократного или многократного диффузного рассеяния падающих частиц на ячейках полимера. Количество атомов кислорода в одной укрупненной частице и вероятности протекания указанных процессов выбирались на основании результатов экспериментов по критерию наилучшего согласия расчетных и экспериментальных данных.

В качестве примера на рис. 12в приведены результаты моделирования процесса эрозии для образца полимера с защитным покрытием, показанного на рис. 12а, при наличии однократного зеркального или диффузионного рассеяния; на рис. 12г – с учетом многократного рассеяния. Сравнение полученных экспериментальных (рис. 12д) и рассчитанных профилей позволяет заключить, что применяемая математическая модель достаточно хорошо описывает эрозию полимера [43].

Для сопоставления с полученными на лабораторном стенде экспериментальными данными (рис. 9) было выполнено моделирование эрозии полимера с одним рядом устойчивых к воздействию атомов кислорода шарообразных частиц разного диаметра, введенным в его приповерхностный слой. На рис. 13а, б приведены результаты расчета для частиц наполнителя диаметром 10 мкм и 7 мкм при падении укрупненных кислородных частиц на поверхность под углом 30 градусов к нормали [44]. Суммарный объем вещества защитного наполнителя для всех вариантов геометрии был одинаковым. При проведении расчетов учитывалось многократное зеркальное и диффузное рассеяние частиц на полимерных ячейках.

Рис. 13. а, б – Результаты моделирования эрозии полимерного композита при диаметре частиц 10 (а) и 7 мкм (б) при эквивалентном флюенсе АК 1.3⋅10²¹ см^–2. Стрелками показано направление потока атомов O. Панель в – Зависимости потерь массы полимера от угла падения потока атомов O и диаметра агломератов наполнителя D: сплошная линия – D = 10 мкм; штриховая линия – D = 7 мкм; штрих-пунктирная линия – D = 5 мкм.

Подобные расчеты позволяют прогнозировать стойкость создаваемых полимерных композитов к воздействию АК, заменяя во многих случаях проведение лабораторных экспериментов. Например, из рис. 13а, б хорошо видно, что структуры, полученные в результате моделирования, подобны наблюдавшимся экспериментально, и, с уменьшением размера агломератов или внедряемых частиц, эрозия полимера становится менее интенсивной (рис. 13в).

Разрушение нанотрубок под действием атомарного кислорода

В описанных выше экспериментах на лабораторном стенде НИИЯФ МГУ было установлено, что одной из характерных стадий процесса разрушения углеродных нанотрубок является распушение их торцов (рис. 10в). Моделирование методом DFT показало, что этот эффект тесно связан с явлением «расстегивания» (англ. unzipping) углеродных нанотрубок, которое происходит в результате коллективного воздействия атомов O и сопровождается разрывом C–C связей с образованием на краях C=O групп [35, 45, 46]. В результате этого процесса боковые стенки нанотрубок разделяются на тонкие полосы, представляющие собой фрагменты графеновых нанолент с адсорбированными по краям атомами кислорода (рис. 14) [37]. По мере разрушения верхнего слоя атомы O начинают воздействовать на нижележащий слой, что приводит к постепенному разрушению всей нанотрубки.

Рис. 14. Изображение частично разрушенной нанотрубки, полученное в результате моделирования методом DFT. Атомы O, C и H показаны красным, серым и белым цветом, соответственно

Заключение

В НИИЯФ МГУ создан плазменно-пучковый лабораторный имитационный стенд для проведения исследований воздействия атомарного кислорода верхней атмосферы Земли на материалы космической техники. Средняя энергия ионов в плазменном потоке, получаемом на стенде, регулируется в диапазоне 20…40 эВ путем изменения режимов электрического и газового питания магнитоплазмодинамического ускорителя, на базе которого построен стенд. Плотность потока ионов и нейтральных частиц кислорода в плоскости размещения исследуемых образцов составляет (1…5)⋅10¹⁶ см^–2⋅с^–1, что соответствует эффективной (приведенной к энергии 5 эВ) плотности потока атомов кислорода (0.6…8)⋅10¹⁷ см^–2⋅с^–1. Для формирования нейтрального пучка атомов и молекул кислорода ионы могут выводиться из плазменного потока дополнительным отклоняющим электромагнитом. Энергия нейтральных частиц в созданном таким способом пучке уменьшается до 5…10 эВ при плотности потока 10¹⁴ см^–2⋅с^–1. Стенд обеспечивает ускорение проведения имитационных испытаний материалов приблизительно в 100 раз по отношению к космическим условиям за счет увеличения энергии частиц в пучке и повышения плотности потока. На стенде проведены испытания большого количества материалов разных типов в интересах предприятий космической отрасли. Наряду с экспериментальными исследованиями в НИИЯФ МГУ интенсивно ведется расчетно-теоретическое изучение воздействия атомарного кислорода на полимеры, композиты на их основе и наноструктуры. На основании результатов теоретических исследований объяснен ряд экспериментальных данных. Показано, что расчетно-теоретическое моделирование позволяет во многих случаях прогнозировать стойкость полимерных композитов к воздействию атомарного кислорода, заменяя проведение лабораторных экспериментов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда № 23-13-00244 с использованием оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ имени М.В. Ломоносова.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.