Использование термопроводящих полимеров в структурных компонентах космических аппаратов

Роль термопроводящих полимеров в разработке космических аппаратов

Каждый космический корабль, запущенный на орбиту, сталкивается с двойной проблемой: он должен быть максимально легким, чтобы минимизировать затраты на запуск, но достаточно прочным, чтобы пережить экстремальные тепловые колебания. Материалы, используемые для структурных компонентов, играют решающую роль в удовлетворении этих требований. В течение десятилетий алюминий, титан и другие металлы были выбором по умолчанию. Но новый класс материалов - теплопроводящие полимеры - быстро набирает силу среди аэрокосмических инженеров. Эти пластмассы спроектированы для переноса тепла от чувствительной электроники и структурных горячих точек, взвешивая часть их металлических аналогов. Поскольку космические агентства и коммерческие операторы стремятся к меньшим спутникам, более длительным миссиям и более глубокому исследованию космоса, аппетит к материалам, которые сочетают легкую конструкцию с активным управлением температурой, никогда не был выше.

Термально проводящие полимеры предлагают именно эту комбинацию. Путем смешивания полимерной матрицы (например, полиамида, поликарбоната или жидкокристаллического полимера) с теплопроводными наполнителями, такими как углеродное волокно, графит, нитрид бора или керамические частицы, производители могут производить компоненты, которые эффективно рассеивают тепло без массового воздействия металла. Полученные материалы являются коррозионно-стойкими, электрически изоляционными (в зависимости от выбора наполнителя) и могут быть отлиты в сложные геометрии, которые были бы дорогими или невозможными для достижения с металлической обработкой. В этой статье исследуется, как эти полимеры используются в структурных компонентах космических аппаратов, преимущества, которые они приносят, проблемы, которые остаются, и что будущее держит для этой многообещающей технологии.

Понимание термопроводящих полимеров

В их основе термопроводящие полимеры являются композитами. Базовый полимер - обычно термопластичная или термореактивная смола - действует как матрица, обеспечивая механическую прочность, прочность и технологичность. Сам по себе большинство полимеров являются отличными теплоизоляторами, с теплопроводностью порядка 0,1 - 0,5 Вт / м · К. Чтобы сделать их проводящими, инженеры добавляют наполнители на основе углерода, которые имеют высокую внутреннюю теплопроводность: наполнители на основе углерода (графит, углеродные нанотрубки, графен) могут достигать 2000 - 5000 Вт / м · К, в то время как керамические наполнители (нитрид алюминия, нитрид бора, карбид кремния) предлагают 30 - 300 Вт / м · К. Тщательно выбирая тип наполнителя, размер частиц, форму (обычно 20 - 60% по объему), общая теплопроводность композита может быть настроена от примерно 1 Вт / хлопок до 30 Вт / м · К или более - приближаясь к диапазону некоторых металлов, таких как нержавеющая сталь (

Механизм теплопередачи в этих композитах представляет собой перколяцию: когда частицы наполнителя плотно упакованы, они образуют непрерывную сеть, которая позволяет фононам (а в случае углеродных наполнителей, электронов) перемещаться по материалу. Качество этой сети зависит от дисперсии наполнителя, ориентации и межфазного связывания. Передовые методы компаундирования, такие как смешивание расплава, смешивание растворов или полимеризация на месте, помогают достичь равномерного распределения. Некоторые производители также используют гибридные наполнители (объединяющие углерод и керамику) для балансировки проводимости, электрической изоляции и стоимости. Результатом является материал, который может быть литьевым, экструдированным или компрессионным в сложных формах, что делает его идеальным для компонентов космических аппаратов, которые требуют как тепловых характеристик, так и геометрической точности.

Для контекста стандартные алюминиевые сплавы, используемые в космических аппаратах, имеют теплопроводность около 120-200 Вт / м · К, но они плотные (~ 2,7 г / см3) и склонны к коррозии в некоторых средах. Термально проводящие полимеры имеют плотность обычно от 1,2 до 2,0 г / см3, что означает снижение веса на 30-50% для того же объема. В космосе каждый сэкономленный килограмм приводит непосредственно к более низким затратам на запуск - примерно от 5000 до 10 000 долларов США за килограмм на низкую околоземную орбиту и гораздо больше для миссий в глубоком космосе. Это преимущество веса является основным фактором для принятия.

Ключевые преимущества дизайна космических аппаратов

Значительное снижение веса

Наиболее непосредственное преимущество перехода от металла к теплопроводному полимеру - экономия веса. Конструктивная кронштейн, теплоотвод или корпус, который когда-то весил 200 граммов алюминия, может весить всего 100-120 граммов при изготовлении из проводящего полимерного композита. Накопленная экономия на спутнике может снизить общую массу космического корабля на несколько килограммов. Это не только снижает затраты на запуск, но и позволяет увеличить полезную нагрузку (инструменты, топливо или дополнительные батареи) в рамках того же массового бюджета. Для небольших CubeSats и микроспутников, где массовые поля чрезвычайно плотные, теплопроводные полимеры становятся материалом для перехода.

Коррозионная устойчивость и долголетие

Космические аппараты работают в средах, которые могут быть химически агрессивными - атомный кислород на низкой околоземной орбите, высокоэнергетическое излучение и тепловое хождение между экстремальными горячими и холодными. Металлы подвержены коррозии, особенно в присутствии атомного кислорода, который может разрушать поверхности. Термопроводящие полимеры, напротив, по своей природе устойчивы к окислению и не корродируют. Многие составы также демонстрируют отличную устойчивость к ультрафиолетовому излучению и дегазации (если правильно сформулированы), что делает их пригодными для длительных миссий. Эта коррозионная стойкость приводит к уменьшению обслуживания (для экипажа космических аппаратов) и более длительному сроку службы для неэкипированных спутников.

Высший термический менеджмент

Эффективное управление температурой имеет решающее значение в космосе. Без конвекции тепло должно проводиться через твердые материалы или излучаться. Термально проводящие полимеры могут быть интегрированы в шасси, корпуса и структурные скобки для распространения тепла от электроники высокой мощности до специализированных радиаторов. Их теплопроводность, хотя и ниже, чем у алюминия, часто достаточна для умеренных энергетических нагрузок. Кроме того, поскольку они электрически изолируют (при использовании керамических наполнителей), их можно помещать непосредственно против чувствительных цепей, не требуя дополнительных слоев изоляции. Некоторые соединения также имеют анизотропную теплопроводность - хорошо проводят тепло в одном направлении, оставаясь изоляционными в другом - позволяя инженерам направлять тепловой поток именно там, где это необходимо.

Свобода дизайна и эффективность производства

Инъекционное формование теплопроводящих полимеров позволяет создавать сложные геометрии — тонкие стены, внутренние каналы, монтажные боссы и функции оснастки — которые были бы дорогостоящими для машин из металла. Эта свобода проектирования позволяет инженерам интегрировать тепловые пути непосредственно в структурные компоненты, уменьшая количество отдельных частей и упрощая сборку. Например, один корпус формованного полимера может служить как структурным шасси для электронной платы, так и распредвалом тепла, устраняя необходимость в отдельном металлическом теплоотводе. Результатом является более легкий, более надежный и простой в изготовлении космический корабль.

Вибрационное демпфирование и снижение стресса

Полимеры естественным образом ослабляют вибрации лучше, чем металлы. В условиях запуска, где распространены сильные вибрационные нагрузки, полимерные компоненты могут поглощать энергию и снижать риск усталостного отказа. Это свойство демпфирования также помогает защитить чувствительную оптику, приборы и электрические соединения от микровибраций во время работы космического корабля. Кроме того, нижний упругий модуль полимеров (по сравнению с металлами) снижает напряжение в болтовых соединениях и скрепленных интерфейсах, улучшая общую конструктивную надежность.

Специфические применения в компонентах космических аппаратов

Электронные корпуса и жилые помещения

Одно из самых распространенных применений теплопроводящих полимеров - в корпусах для бортовой электроники. Спутники несут десятки печатных плат для связи, обработки данных, управления положением и обработки полезной нагрузки. Каждая плата генерирует тепло, которое должно рассеиваться, чтобы предотвратить перегрев. Путем формования корпуса - или даже монтажной рамы платы - из теплопроводного полимера, инженеры могут создать прямой тепловой путь от электроники до шасси или радиатора космического корабля. Эти корпуса легкие, обеспечивают электромагнитное экранирование (если заполнены углеродом) и могут быть разработаны с интегрированными плавниками или каналами для усиленного распространения тепла. Несколько небольших производителей спутников теперь используют готовые проводящие полимерные корпуса для замены традиционных алюминиевых коробок, сокращая массу до 40%.

Термический интерфейс Материалы

Термально проводящие полимеры также используются в качестве материалов теплового интерфейса (TIM) - тонких слоев, которые заполняют зазор между источником тепла (например, силовым транзистором) и теплоотводом. В отличие от традиционных смазок или подушек, TIM на основе полимера могут быть формованы в точные формы и толщины, обеспечивая постоянный контакт. Они не выкачиваются или сушатся с течением времени в вакууме, общий режим отказа для силиконовых смазок. Некоторые составы являются электрически изоляционными, предотвращая короткие замыкания, в то время как другие являются проводящими, чтобы позволить заземление. Способность интегрировать TIM в большую структурную часть (например, босс, формованный на кронштейне) упрощает сборку и улучшает тепловые характеристики.

Структурные скобки и панели

Нагрузочные кронштейны, застывающие и панельные вставки в спутниках все чаще изготавливаются из теплопроводных полимерных композитов. Эти детали должны передавать механические нагрузки при одновременном управлении теплом. Например, кронштейн, который держит реакционное колесо, должен выдерживать вибрацию и крутящий момент, а также проводить тепло, генерируемое подшипниками колеса и двигателем. Используя полимерный композит с усилителем из углеродного волокна (для прочности) и графитовым наполнителем (для проводимости), инженеры могут создать деталь, которая удовлетворяет как структурным, так и тепловым требованиям в одном куске. Тот же подход применяется к подложкам солнечных панелей, где проводящее полимерное ядро заменяет традиционную алюминиевую сотку, экономя массу, все еще обеспечивая путь для тепла, чтобы достичь задней части радиатора панели.

Изоляционные слои и поверхности радиаторов

Не все компоненты космических аппаратов должны проводить тепло; некоторые должны быть тепло или теплоизолированы. Термально проводящие полимеры могут быть адаптированы для конкретных применений путем регулировки содержания наполнителя. При низких наполнителях они приближаются к теплопроводности чистых пластмасс (~0,3 Вт/м·К), делая их хорошими изоляторами. Но при высокой нагрузке они становятся отличными проводниками. Эта настраиваемость позволяет использовать один и тот же базовый материал для изоляции и проводимости в разных частях космического корабля, упрощая квалификацию материала и цепочку поставок. Некоторые компании разрабатывают панели на основе полимера: тонкие листы, встроенные с высокопроводящими волокнами, которые излучают отработанное тепло в космос. Эти панели легче, чем алюминиевые радиаторы, и могут соответствовать изогнутым спутниковым телам.

Катушки аккумуляторов и компоненты энергосистемы

Батареи вырабатывают значительное тепло в ходе циклов заряда и разряда, и их необходимо держать в узком температурном диапазоне для оптимальной производительности и безопасности. Термопроводящие полимерные кожухи для аккумуляторных модулей помогают равномерно распределять тепло по аккумуляторной батарее, предотвращая горячие точки. Они также обеспечивают электрическую изоляцию между ячейками, снижая риск короткого замыкания. В некоторых конструкциях кожух формируется внутренними каналами для пассивного двухфазного охлаждения (выбивание небольшого количества воды или аммиака), создавая легкую интегрированную систему управления температурой. Для миссий в глубоком космосе, где масса имеет решающее значение, такие интегрированные конструкции особенно привлекательны.

Проблемы и ограничения

Пробелы в теплопроводности

Несмотря на достижения, теплопроводные полимеры по-прежнему не могут соответствовать теплопроводности высокопроизводительных металлов, таких как медь (400 Вт / м · К) или даже алюминий (200 Вт / м · К). Для компонентов, которые должны проводить очень высокие тепловые потоки (например, концентрированные солнечные коллекторы или мощные РЧ-усилители), металл остается лучшим выбором. Однако многие подсистемы космических аппаратов работают на умеренных уровнях мощности, где достаточно решений на основе полимеров. Исследования продолжаются, чтобы вытолкнуть полимерные композиты за 50 Вт / м · К, но достижение этого без ущерба механическим свойствам или увеличения стоимости является сложной задачей.

Утечка газа и загрязнение

В вакууме пространства материалы могут выделять летучие соединения — явление, известное как дегазация. Эти летучие вещества могут конденсироваться на чувствительных поверхностях, таких как оптика, солнечные элементы или покрытия для термоконтроля, ухудшая производительность. В то время как многие термопроводящие полимеры формулируются с низкой дегазацией (соответствуя стандарту NASA ASTM E595 ), добавление наполнителей и вспомогательных средств обработки иногда может увеличить дегазацию. Для каждой композиции перед использованием полета требуется тщательное квалификационное тестирование. Производители разработали «космические» проводящие полимерные марки, которые проходят строгие пределы дегазации, но выбор все еще ограничен.

Механические характеристики при тепловом велоспорте

Космические аппараты испытывают перепады температуры от -150°C в тени до +120°C в солнечном свете (и даже более экстремальные диапазоны для зондов глубокого космоса). Коэффициент теплового расширения (CTE) полимеров обычно выше, чем у металлов, что приводит к потенциальным напряжениям несоответствия при связывании с металлическими компонентами. Повторный тепловой цикл может вызвать усталость, микротрещину или расслоение в полимерных частях. Инженеры смягчают это с помощью наполнителей, соответствующих CTE (например, углеродное волокно имеет отрицательный CTE по своей длине) и путем разработки совместимых интерфейсов. Долгосрочные испытания в реалистичных профилях теплового цикла остаются областью активного изучения.

Производственная согласованность и стоимость

Производство термопроводящих полимерных композитов с согласованными свойствами не тривиально. Изменения в дисперсии наполнителей, ориентации и распределении частиц могут вызвать различия в теплопроводности от партии к партии. Для критических космических применений каждая партия должна быть проверена. Кроме того, стоимость специальных наполнителей (особенно углеродных нанотрубок или нанотрубок нитрида бора) может быть высокой. Хотя многие компоненты все еще дешевле, чем обработанные металлические детали при рассмотрении общей экономии веса системы, авансовая стоимость материала может быть барьером для бюджетных миссий. По мере увеличения объемов производства ожидается снижение затрат.

Текущие исследования и будущие разработки

Нанокомпозиты и продвинутые наполнители

Исследовательские лаборатории изучают наполнители следующего поколения, которые могут значительно повысить теплопроводность. Графеновые нанопластыри, углеродные нанотрубки (CNT) и нанотрубки нитрида бора (BNNT) обеспечивают чрезвычайно высокую внутреннюю проводимость и могут образовывать перколяционные сети при более низких уровнях нагрузки, сохраняя механические свойства полимера. Например, композиты с только 10-15% графеном показали теплопроводность выше 30 Вт / м · К. Некоторые исследователи разрабатывают выровненные леса CNT, которые действуют как вертикальные тепловые каналы, достигая проводимости более 100 Вт / м · К в одном направлении. Эти материалы могут закрыть разрыв с алюминием, оставаясь более легкими.

3D-печать проводящих полимерных деталей

Аддитивное производство (3D-печать) с теплопроводящими нитями является новой тенденцией. Моделирование сплавленного осаждения (FDM) позволяет создавать индивидуальные сложные геометрии по требованию - идеально подходит для одноразовых спутниковых компонентов или быстрого прототипирования. Новые нити, содержащие углеродное волокно или графит, становятся доступными, с теплопроводностью 5-15 Вт / м·К. В сочетании с многоматериальной печатью (например, проводящие области наряду с изоляционными секциями), 3D-печать может позволить совершенно новые архитектуры управления теплом. NASA и ESA финансируют проекты для разработки 3D-печатных полимерных деталей для CubeSats.