Антиотражающие полимерные композиты с углеродными наноматериалами, модифицированные кислородной плазмой

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.

1. Banks, 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-nn8.1

2. Study 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/S0219581X19500078

3. Chernik, 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.

4. 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/e2089-00

5. Applications 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/ab5b50

6. Rheological, 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/s42452-021-04247-7

7. Influence 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.2005.04.021

8. Epoxy-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.2020.08.026

9. Spray 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.2019.01.043

10. Atomic 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.2015.01.008

11. Влияние 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.

12. 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/nature07872

13. Tennyson, 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/10.1088/0954-0083/11/1/013

14. An 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.20659

15. Ferrari, 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.61.14095