danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2026-70-1-14-21dan-1290Research ArticleФИЗИКАPHYSICSАнтиотражающие полимерные композиты с углеродными наноматериалами, модифицированные кислородной плазмойAntireflective polymer composites with carbon nanomaterials modified by oxygen plasmahttps://orcid.org/0009-0002-6039-3160ЖуковаМ. Н.ZhukavaM. N.

Жукова Мария Николаевна – мл. науч. сотрудник.

Ул. Курчатова, 7, 220045, Минск

Zhukava Mary N. – Junior Researcher.

7, Kurchatov Str., 220045, Minsk

Maryliss.lab@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8292-8942КомаровФ. Ф.KomarovF. F.

Комаров Фадей Фадеевич – академик, д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией.

Ул. Курчатова, 7, 220045, Минск

Komarov Fadey F. – Academician, D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Laboratory.

7, Kurchatov Str., 220045, Minsk

komarovf@bsu.byhttps://orcid.org/0000-0002-5922-6333ПарфимовичИ. Д.ParphimovichI. D.

Парфимович Иван Дмитриевич – канд. физ.-мат. наук, науч. сотрудник.

Ул. Курчатова, 7, 220045, Минск

Parfimovich Ivan D. – Ph. D. (Physics and Mathematics), Researcher.

7, Kurchatov Str., 220045, Minsk

idparfimovich@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4455-2128ЧижовИ. В.ChizhovI. V.

Чижов Игорь Викторович – аспирант.

Ул. Курчатова, 7, 220045, Минск

Chizhov Igor V. – Postgraduate Student.

7, Kurchatov Str., 220045, Minsk

igorchizhovwork@gmail.comЧерникВ. Н.ChernikV. N.

Черник Владимир Николаевич – канд. физ.-мат. наук, доцент, ст. науч. сотрудник.

Ленинские горы, 1, стр. 2, 119991, Москва

Chernik Vladimir N. – Ph. D. (Physics and Mathematics), Assistant Professor, Senior Researcher.

1/2, Leninskie Gory, 119991, Moscow

chernik@sinp.msu.ruНовиковЛ. С.NovikovL. S.

Новиков Лев Симонович – д-р физ.-мат. наук, профессор, ст. науч. сотрудник.

Ленинские горы, 1, стр. 2, 119991, Москва

Novikov Lev S. – D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Senior Researcher.

1/2, Leninskie Gory, 119991, Moscow

novikov@nsrd.sinp.msu.ruЖигулинД. В.ZhyhulinD. V.

Жигулин Дмитрий Владимирович – начальник сектора.

Ул. Казинца, 121А, 220108, Минск

Zhyhulin Dmitry V. – Head of the Sector.

121A, Kazinets Str., 220108, Minsk

zhygulin@mail.ruНаучно-исследовательский институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко Белорусского государственного университетаA.N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems of the Belarusian State UniversityНаучно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваSkobeltsyn Institute of Nuclear Physics of the Lomonosov Moscow State UniversityОткрытое акционерное общество «Интеграл»Open Joint-Stock Company «Integral»2026020320267011421Copyright © Жукова М.Н., Комаров Ф.Ф., Парфимович И.Д., Чижов И.В., Черник В.Н., Новиков Л.С., Жигулин Д.В., 20262026Жукова М.Н., Комаров Ф.Ф., Парфимович И.Д., Чижов И.В., Черник В.Н., Новиков Л.С., Жигулин Д.В.Zhukava M.N., Komarov F.F., Parphimovich I.D., Chizhov I.V., Chernik V.N., Novikov L.S., Zhyhulin D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1290

Для разработки материалов, устойчивых к условиям ближнего космоса, в настоящей работе исследуются эпоксидные композиты с наполнителями в виде графена и многостенных углеродных нанотрубок («Таунит-М» и «Таунит-МД»). Анализируются их структурные характеристики и оптическое поведение после воздействия атомарного кислорода. Воздействие атомарного кислорода на низких околоземных орбитах со средней энергией ~5 эВ приводит к эрозии поверхности композитов, что выражается в значительной потере массы. Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что средний выход эрозии (Rm) составляет 1,07·10–23 г/атом для композита с наполнителем из «Таунит-М», 1,21·10–23 г/атом для «Таунит-МД» и 8,56·10–24 г/атом для наполнителя из графена. Этот эффект обусловлен тем, что углеродные наполнители подвергаются окислению и химическому распылению под действием кислородной плазмы, что характерно для материалов, используемых в условиях космического пространства. Воздействие атомарного кислорода с флюенсом (1,7–30,0)1020 атом/см2 приводит к значительному уменьшению коэффициентов отражения (как зеркального, так и диффузного) в широком диапазоне длин волн (0,2–25,0 мкм). Для чистой эпоксидной смолы зеркальное отражение снизилось в 1,4 раза, а для образцов с добавками графена, «Таунит-М» и «Таунит-МД» – в 9,9, 15,8 и 13,6 раз соответственно. Диффузное отражение уменьшилось в 1,2 раза у чистой смолы и в 5,3, 16,7 и 9,0 раз для соответствующих наполненных систем. Эти результаты свидетельствуют о формировании на поверхности модифицированных композитов слоя с высокими антиотражающими характеристиками. Такие модифицированные низкоэнергетической кислородной плазмой материалы являются эффективными для использования в составе оптических и оптоэлектронных систем космического назначения, а также в наземных приложениях, где важны материалы с высоким поглощением и пониженным отражением.

This study investigates the properties of epoxy resin reinforced with carbon nanomaterials (graphene and multi-walled carbon nanotubes “Taunit M” and “Taunit MD”), focusing on their structural and optical characteristics, as well as the effects of atomic oxygen (AO) exposure, which is crucial for the application of such composites in low Earth orbit (LEO) conditions. Exposure to AO in LEO, with an average energy of ~5 eV, leads to the surface erosion of composites, resulting in significant mass loss. Experimental results indicate that the average erosion yield (Rm) is 1.07·10–23 g/atom for the composite with “Taunit M” filler, 1.21·10–23 g/atom for “Taunit MD”, and 8.56·10–24 g/atom for the graphene-filled composite. This effect occurs because carbon fillers undergo the oxidation and chemical sputtering under AO exposure, a typical behavior for materials used in space environments. After irradiation with an AO fluence of (1.7–30.0)1020 atom/cm², a significant decrease in reflection coefficients (both specular and diffuse) is observed across a broad spectral range (0.2–25 µm). Specular reflection decreased by 1.4 times for pure epoxy resin, and by 9.9, 15.8, and 13.6 times for samples filled with graphene, “Taunit M”, and “Taunit MD”, respectively. Diffuse reflection from the pure epoxy decreased by 1.2 times, while for graphene-, “Taunit M”-, and “Taunit MD”-filled samples, it decreased by 5.3, 16.7, and 9.0 times, respectively. These findings indicate that modifying epoxy resin with carbon nanomaterials followed by AO irradiation leads to the formation of a surface layer with high anti-reflective properties. Such materials, treated with low-energy oxygen plasma, are highly effective for use in optical and optoelectronic systems of spacecraft, as well as in terrestrial applications requiring materials with high absorption and low reflection.

антиотражающие покрытияэпоксидная смоламногостенные углеродные нанотрубкиграфенкислородная плазмаepoxy resincarbon nanotubesgrapheneoxygen plasmaanti-reflective coatingsРабота выполнена при финансовой поддержке государственной программы научных исследований «Цифровые и космические технологии, безопасность общества и государства» (задание 5.1.4.3.4, № ГР 20212657)This work was supported by the state research program “Digital and Space Technologies, Security of Society and State” (task 5.1.4.3.4, no. SR 20212657)ReferencesBanks, B. A. Low Earth orbital atomic oxygen interactions with spacecraft materials / B. A. Banks, K. K. de Groh, S. K. Miller // MRS Online Proceedings Library. – 2004. – Vol. 851. – P. 426–437. https://doi.org/10.1557/proc-851-nn8.1Banks B. A., de Groh K. K., Miller S. K. Low Earth orbital atomic oxygen interactions with spacecraft materials. MRS Online Proceedings Library, 2004, vol. 851, pp. 426–437. https://doi.org/10.1557/proc851-nn8.1Study on atomic oxygen exposure and hard particle impact of polyimide nanocomposites / L. S. Novikov, E. N. Voronina, V. N. Chernik [et al.] // International Journal of Nanoscience. – 2020. – Vol. 19, N 2. – Art. 1950007. https://doi.org/10.1142/S0219581X19500078Novikov L. S., Voronina E. N., Chernik V. N., Chirskaya N. P., Zhang W. Study on atomic oxygen exposure and hard particle impact of polyimide nanocomposites. International Journal of Nanoscience, 2020, vol. 19, no. 2, art. 1950007. https://doi.org/10.1142/S0219581X19500078Chernik, V. N. Atomic oxygen simulation by plasmadynamic accelerator with charge exchange / V. N. Chernik // Proceedings of 7th International Symposium Materials in Space Environment. – Toulouse, 1997. – SP-399. – Р. 237–241.Chernik V. N. Atomic oxygen simulation by plasmadynamic accelerator with charge exchange. Proceedings of 7th International Symposium Materials in Space Environment. Toulouse, 1997, SP-399, pp. 237–241.Standard Practices for Ground Laboratory Atomic Oxygen Interaction Evaluation of Materials for Space Applications: ASTM E2089-00. ASTM, 2006. – 5 p. https://doi.org/10.1520/e2089-00ASTM E2089-00. Standard Practices for Ground Laboratory Atomic Oxygen Interaction Evaluation of Materials for Space Applications, ASTM, 2006. 5 p. https://doi.org/10.1520/e2089-00Applications of highly non-equilibrium low-pressure oxygen plasma for treatment of polymers and polymer composites on an industrial scale / A. Vesel, G. Primc, R. Zaplotnik, M. Mozetič // Plasma Physics and Controlled Fusion. – 2020. – Vol. 62, N 2. – Art. 024008. https://doi.org/10.1088/1361-6587/ab5b50Vesel A., Primc G., Zaplotnik R., Mozetič M. Applications of highly non-equilibrium low-pressure oxygen plasma for treatment of polymers and polymer composites on an industrial scale. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2020, vol. 62, no. 2, art. 024008. https://doi.org/10.1088/1361-6587/ab5b50Rheological, EMI and corrosion properties of epoxy coating with nanoparticle and conductive carbon black / A. A. P. O. Amorim, M. G. Oliveira, M. C. Mancini, A. S. Sirqueira // SN Applied Sciences. – 2021. – Vol. 3. – Art. 236. https://doi.org/10.1007/s42452-021-04247-7Amorim A. A. P. O., Oliveira M. G., Mancini M. C., Sirqueira A. S. Rheological, EMI and corrosion properties of epoxy coating with nanoparticle and conductive carbon black. SN Applied Sciences, 2021, vol. 3, art. 236. https://doi.org/10.1007/s42452-021-04247-7Influence of different carbon nanotubes on the mechanical properties of epoxy matrix composites – a comparative study / F. H. Gojny, M. H. G. Wichmann, B. Fiedler, K. Schulte // Composites Sciences and Technology. – 2005. – Vol. 65, N 15–16. – Р. 2300–2313. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.04.021Gojny F., Wichmann M., Fiedler B., Schulte K. Influence of different carbon nanotubes on the mechanical properties of epoxy matrix composites – a comparative study. Composites Science and Technology, 2005, vol. 65, no. 15–16, pp. 2300– 2313. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.04.021Epoxy-based shape memory composite for space applications / D. Margoy, I. Gouzman, E. Grossman [et al.] // Acta Astronautica. – 2021. – Vol. 178. – Р. 908–919. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.08.026Margoy D., Gouzman I., Grossman E., Bolker A., Eliaz N., Verker R. Epoxy-based shape memory composite for space applications. Acta Astronautica, 2021, vol. 178, pp. 908–919. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2020.08.026Spray coating process of MWCNT/epoxy nanocomposite films for aerospace applications: effects of process parameters on surface electrical properties / S. Laurenzi, M. Clausi, F. Zaccardi [et al.] // Acta Astronautica. – 2019. – Vol. 159. – Р. 429–439. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.01.043Laurenzi S., Clausi M., Zaccardi F., Curt U., Santonicola M. G. Spray coating process of MWCNT/epoxy nanocomposite films for aerospace applications: effects of process parameters on surface electrical properties. Acta Astronautica, 2019, vol. 159, pp. 429–439. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.01.043Atomic oxygen exposure behaviors of CVD-grown carbon nanotube film and its polymer composite film / L. Jiao, Y. Gu, S. Wang [et al.] // Composites. Part A: Applied Sciences and Manufacturing. – 2015. – Vol. 71. – Р. 116–125. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.01.008Jiao L., Gu Y., Wang S., Yang Z., Wang H., Li Q., Li M., Zhang Z. Atomic oxygen exposure behaviors of CVD-grown carbon nanotube film and its polymer composite film. Composites. Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, vol. 71, pp. 116–125. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.01.008Влияние режимов нанесения наноструктурированных нитридных и карбонитридных покрытий на их структуру, оптические и электрофизические свойства / С. В. Константинов, Ф. Ф. Комаров, И. В. Чижов [и др.] // Журнал Белорусского государственного университета. Физика. – 2024. – №. 2. – С. 69–83.Konstantinov S. V., Komarov F. F., Chizhov I. V., Zaikov V. A., Zhyhulin D. V. The effect of deposition regimes of nanostructured nitride and carbonitride coatings on their structure, optical and electrophysical properties. Zhurnal Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Fizika = Journal of the Belarusian State University. Physics, 2024, no. 2, pp. 69–83 (in Russian).Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons / D. V. Kosynkin, A. L. Higginbotham, A. Sinitskii [et al.] // Nature. – 2009. – Vol. 458. – Р. 872–876. https://doi.org/10.1038/nature07872Kosynkin D. V., Higginbotham A. L., Sinitskii A., Lomeda J. R., Dimiev A., Price B. K., Tour J. M. Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons. Nature, 2009, vol. 458, pp. 872–876. https://doi.org/10.1038/nature07872Tennyson, R. C. Protection of polymeric materials from atomic oxygen / R. C. Tennyson // High Performance Polymers. – 1999. – Vol. 11, N 1. – Р. 157–165. https://doi.org/10.1088/0954-0083/11/1/013Tennyson R. C. Protection of polymeric materials from atomic oxygen. High Performance Polymers, 1999, vol. 11, no. 1, pp. 157–165. https://doi.org/10.1088/0954-0083/11/1/013An experimental study on improving the atomic oxygen resistance of epoxy resin/silica nanocomposites / X. Wang, X. Zhao, M. Wang, Z. Shen // Polymer Engineering and Science. – 2007. – Vol. 47, N 7. – Р. 1156–1162. https://doi.org/10.1002/pen.20659Wang X., Zhao X., Wang M., Shen Z. An experimental study on improving the atomic oxygen resistance of epoxy resin/silica nanocomposites. Polymer Engineering and Science, 2007, vol. 47, no. 7, pp. 1156–1162. https://doi.org/10.1002/pen.20659Ferrari, A. C. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon / A. C. Ferrari, J. Robertson // Physical Review B. – 2000. – Vol. 61, N 20. – Art. 14095. https://doi.org/10.1103/physrevb.61.14095Ferrari A. C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Physical Review B, 2000, vol. 61, no. 20, art. 14095. https://doi.org/10.1103/physrevb.61.14095

The authors declare that there are no conflicts of interest present.