Разработка структур и технологии изготовления термостойких радиоотражающих тканей для космических антенн

Введение. Разработка новых структур тканей специального назначения, сочетающих свойства высокой термо- и радиационной стойкости, электропроводности, отличающихся при этом минимально возможной поверхностной плотностью, является актуальной задачей, так как подобные ткани находят применение в различных областях техники, в том числе космической.

Для обеспечения жестких требований, предъявляемых к конструкциям и материалам космических антенн, разрабатываемых в АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», необходимо использовать новые радиоотражающие материалы, отличающиеся от существующих аналогов высокой термо- и радиационной стойкостью, отсутствием газовыделения, минимальным весом, стабильностью размеров и обеспечивающие высокие значения коэффициента отражения электромагнитных волн заданной частоты.

В конструкциях излучателей спиральных космических антенн в качестве радиоотражающего материала долгое время использовалась серийная ткань арт. 56041 с поверхностной плотностью 180 г/м2. Данная ткань изготавливается из специальных мишурных нитей, полимерный сердечник которых выполняется из полиамидной нити, а электропроводящая оплетка – из медной плющеной посеребренной проволоки.

Недостатком ткани арт. 56041 является низкая термо- и радиационная стойкость (из-за использования в ее структуре мишурных нитей, содержащих полиамид) и высокая поверхностная плотность, что не устраивает заказчика.

Таким образом, цель работы заключалась в замене существующей радиоотражающей ткани на новую ткань или серию тканей, к которым предъявляются следующие требования:

– стойкость к воздействию температур в диапазоне от –180 до +180 ºС;

– воздействие ионизирующего излучения до дозы 2,9×108 рад;

– работоспособность в условиях вакуума 1×10–13 мм рт. ст.;

– отсутствие газовыделения (летучие конденсирующиеся вещества – менее 0,1 %);

– поверхностная плотность не более 150 г/м2;

– коэффициент отражения электромагнитного излучения не менее 95 % на частотах до 16 ГГц.

На основании обзора отечественных [1–5] и зарубежных [6–10] периодических изданий и патентных источников было установлено, что существующие текстильные материалы не соответствуют перечисленным требованиям по причине низкой термостойкости, а также из-за высокой поверхностной плотности, либо не подходят по радиотехническим характеристикам (имеют низкие значения коэффициентов отражения в радиочастотном диапазоне).

Поэтому для решения поставленной задачи было предложено вырабатывать новые радиоотражающие ткани из комбинированных термостойких электропроводящих нитей, которые изготавливаются на крутильно-оплеточных машинах специальной конструкции. Подобные структуры тканей имеют преимущество перед металлизированными с поверхности тканями [4; 5], так как они сохраняют свои свойства в течение всего срока эксплуатации.

На рис. 1 в качестве примера представлены фотографии ткани из полиимидных нитей, никелированной гальваническим способом, и фотографии ткани из комбинированных электропроводящих нитей, содержащих стальную микропроволоку в оплетке. Видно, что в местах пересечения нитей основы и утка у ткани, металлизированной с поверхности, отсутствует металлическое покрытие, что снижает надежность электрических контактов, к тому же, металлическое покрытие может осыпаться с поверхности органических волокон, обладающих малой шероховатостью. Этих недостатков лишены ткани из комбинированных текстильно-металлических нитей, содержащих в оплетке различные металлические микропроволоки.

Разработка комбинированных термостойких электропроводящих нитей. Для решения задачи по созданию радиоотражающей ткани, обладающей совокупностью заданных эксплуатационных свойств, было предложено использовать комбинированные термостойкие электропроводящие нити, которые можно изготовить путем оплетения текстильной нити металлической микропроволокой на крутильно-оплеточных, тростильно-крутильных или прядильно-крутильных машинах [11; 12].

В настоящем исследовании комбинированные термостойкие электропроводящие нити изготавливались на крутильно-оплеточной машине с полыми веретенами, где полимерная нить-сердечник заправляется в полое веретено, на веретено устанавливается катушка с металлической микропроволокой-оплеткой, которая заправляется в рогульку, что обеспечивает требуемый уровень ее натяжения и равномерность распределения по поверхности сердечника.

На рис. 2 представлена фотография, сделанная при изготовлении комбинированной нити, где запечатлена баллонирующая медная проволока при оплетении арамидной нити. При формировании комбинированной нити натяжение сердечника составляет от 3 до 12 % от его абсолютной разрывной нагрузки, а натяжение металлической микропроволоки должно быть, по меньшей мере, на 50 % меньше натяжения сердечника.

б

в

Рис. 1. Фотографии различных видов радиоотражающих тканей:

а - никелированная аримидная ткань; б - нить, извлеченная из никелированной ткани;

в - ткань из комбинированных электропроводящих нитей с двойной стальной оплеткой

В качестве сердечника новых комбинированных термостойких электропроводящих нитей предложено использовать комплексные параарамидные нити АРМАЛОН® или РУСЛАН® или полиимидные нити АРИМИД®. В оплетке предложено использовать медную посеребренную или стальную микропроволоки.

Таким образом, высокая прочность, термои радиационная стойкость комбинированной нити обеспечиваются за счет использования в ее сердечнике параарамидных или полиимидных нитей [13; 14], а высокая электропроводность обеспечивается за счет использования металлической микропроволоки, которая должна обладать минимальным электрическим сопротивлением [15; 16].

В табл. 1 представлены основные показатели свойств разработанных комбинированных термостойких электропроводящих нитей в сравнении с серийной мишурной нитью, а на рис. 3 представлены фотографии некоторых полученных образцов комбинированных нитей.

Установлено, что содержание металлической оплетки в составе комбинированных нитей может находиться в пределах от 60 до 80 %, в зависимости от используемого вида металла, диаметра проволоки и линейной плотности полимерной нити-сердечника, а значит, управляя данным показателем, можно управлять радиотехническими характеристиками ткани.

Разработанные образцы комбинированных нитей отличаются от серийной мишурной нити меньшей линейной плотностью благодаря использованию более тонких сердечников с большей удельной прочностью, меньшим удлинением и не уступают серийной нити в разрывной нагрузке (исключение – образец 3 с полиимидным сердечником). Все это позволяет изготовить из новых комбинированных нитей термо- стойкие радиоотражающие ткани, обладающие заданными эксплуатационными свойствами.

Технология изготовления радиоотражающей ткани. Разработанные комбинированные термостойкие электропроводящие нити поступают в приготовительный отдел ткацкого производства на двухфланцевых катушках. Снование осуществляется на ленточной машине специальной конструкции, оснащенной стойкой-шпулярником с вращающимися катушками, таким образом, достигаются требуемые условия радиального сматывания нитей.

Скорость снования не должна превышать 30 м/мин. Средний уровень натяжения в процессе снования составляет 10 сН, при коэффициенте вариации 30–40 %, максимальное натяжение достигает 25 сН, что составляет всего 1,5–2,0 % от разрывной нагрузки нити.

Для изготовления новой радиоотражающей ткани был выбран челночный способ ткачества. Скорость челночного ткацкого станка при изготовлении радиоотражающей ткани составляет 140–160 об/мин. Среднее натяжение основы за период формирования раппорта ткани полотняного переплетения составляет 20 сН, натяжение при прибое достигает 120 сН, а натяжение в момент заступа не превышает 2 сН. Наматывание уточных шпуль осуществляется на уточномотальном автомате, среднее натяжение при формировании уточной шпули может составлять 30–80 сН.

После изготовления радиоотражающей ткани она подвергается процессу заключительной отделки, что позволяет удалить замасливатель А-1 (ТУ 2484-00205744685-2002) с поверхности арамидных нитей. Удаление замасливателя необходимо для удовлетворения требований заказчика по минимальному газо-выделению в условиях космического пространства.

Рис. 2. Форма медной проволоки при оплетении арамидной нити

Таблица 1

Показатели свойств комбинированных термостойких электропроводящих нитей

Наименование показателя свойств	Образцы комбинированных нитей
	Серийный	Опытные
		1	2	3	4	5
Материал сердечника	Полиамид	АРМАЛОН	АРМАЛОН	АРИМИД	РУСЛАН	РУСЛАН
Материал оплетки	Медь	Сталь	Медь			Сталь
Содержание сердечника/оплетки, %	35 / 65	37 / 63	25 / 75	29 / 71	21 / 79	27 / 73
Результирующая линейная плотность нити, текс	44,1	11,1	32,5	38,9	29,8	23,7
Разрывная нагрузка, сН	851,6	877,4	1474,3	534,9	1739,9	1600,7
Коэффициент вариации по разрывной нагрузке, %	6,0	6,9	9,1	15,4	5,3	5,3
Удлинение при разрыве, %	18,5	5,2	6,5	9,4	6,3	4,4
Коэффициент вариации по удлинению, %	17,6	7,2	5,9	11,5	4,0	5,9

а

б

в

Рис. 3. Фотографии комбинированных электропроводящих нитей:

а – серийная мишурная нить с полиамидным сердечником и медной «плющенкой» в оплетке; б – арамидная нить АРМАЛОН, оплетенная медной проволокой ; в – арамидная нить РУСЛАН, оплетенная в двух противоположных направлениях стальной проволокой

Отделка заключается в отварке и последующей сушке ткани . Содержание замасливателя А-1 до отварки составляет 3,12 мас. %, после отварки – 0,5 мас. %. Содержание летучих конденсирующихся веществ по ГОСТ Р 50109–92 при вакуумно-тепловом воздействии у ткани в готовом виде составляет 0,02 %, при норме менее 0,1 %. Потеря массы составляет 0,53 %, а потеря массы с учетом рекондиционирования – 0,04 %, при норме менее 1,0 %.

Изучение свойств радиоотражающих тканей. Как следует из данных табл. 1, результирующая линейная плотность большинства разработанных комбинированных термостойких электропроводящих нитей находится в пределах от 11 до 34 текс, тогда как линейная плотность серийных мишурных нитей составляет 45 текс, это позволяет спроектировать и изготовить новую радиоотражающую ткань с поверхностной плотностью менее 150 г/м² без потери ее радиотехнических характеристик.

В табл. 2 представлены основные показатели физико-механических свойств разработанных радио- отражающих термостойких тканей в сравнении с серийной тканью арт. 56041. Из данных табл. 2 следует, что разработанные на базе комбинированных термостойких электропроводящих нитей образцы тканей арт. 5477-15, 5478-15 и 5487-15 отличаются от серийной ткани меньшей поверхностной плотностью и толщиной, при этом ткань арт. 5477-15 не уступает по разрывной нагрузке серийной ткани. На рис. 4 представлены фотографии некоторых разработанных радиоотражающих тканей.

Одним из основных требований, предъявляемых к новой радиоотражающей ткани, является требование высокой термостойкости. Термостойкость образцов тканей определялась путем их испытаний на растяжение до и после выдерживания в термошкафу при температуре 300 ºС в течение 30 мин.

Установлено, что после термообработки серийной ткани происходит значительное снижение ее свойств при растяжении, разрывная нагрузка снижается на 94 %, а удлинение – на 67 %. Разработанная ткань арт. 5477-15 отличается от серийной ткани большей термостойкостью, так как ее разрывная нагрузка и удлинение снижаются до 55 и 25 % соответственно. При этом ткань арт. 5477-15 не обнаруживает изменения геометрических размеров (термоусадку).

В табл. 3 представлены значения радиотехнических характеристик образцов тканей для частоты излучения 16 ГГц. Измерения проводились в секции прямоугольного волновода при нормальном падении электромагнитной волны на образец, полностью заполняющий сечение тракта. Были определены значения коэффициента отражения, прохождения и поглощения в % и дБ.

В табл. 3 для сравнения приводятся радиотехнические характеристики металлизированной гальваническим способом аримидной ткани арт. Н30-Т-5457/12, фотографии которой были представлены на рис. 1.

Установлено, что наиболее высокими значениями коэффициента отражения излучения частотой 16 ГГц, превышающими значения для серийной ткани, отличается новая ткань арт. 5477-15, в структуре которой использована медная посеребренная микропроволока. Образец ткани арт. 5477-15 обладает коэффициентом отражения более 98 % при требовании не менее 95 %.

Образец металлизированной с поверхности ткани арт. Н30-Т-5457/12 незначительно уступает ткани арт. 5477-15 по коэффициенту отражения, но стоит иметь в виду, что никелевое покрытие толщиной около 18– 19 мкм может осыпаться с поверхности аримидных нитей, а значит, для данной ткани в процессе эксплуатации значение коэффициента отражения будет только снижаться.

Образцы тканей арт. 5478-15 и 5487-15, в структуре которых была использована стальная микропроволока, показали наименьшие значения коэффициента отражения, что связано с большим удельным электрическим сопротивлением стали по сравнению с медью. Однако данные образцы отличаются наименьшей поверхностной плотностью, так как удельный вес стали меньше удельного веса меди, что дает им некоторое преимущество. Повысить коэффициент отражения образцов, содержащих сталь, возможно при использовании комбинированной нити, в которой сердечник оплетен стальной микропроволокой в двух противоположных направлениях (рис. 3, в и рис. 4, б ).

Для того чтобы определить область использования разработанных материалов, были произведены измерения коэффициентов отражения на частоте 30 ГГц. Было установлено, что ткань арт. 5477-15 с 75%-м содержанием медной посеребренной проволоки имеет коэффициент отражения 91,75 %, а ткань арт. 5487-15 с 73%-м содержанием стальной проволоки – 87,69 %, при этом металлизированная аримидная ткань арт. Н30-Т-5457/12 с 46%-м содержанием частиц никеля имеет коэффициент отражения 94,61 %.

Несмотря на то, что спроектированные материалы уступают в коэффициенте отражения металлизированной с поверхности ткани на частоте излучения 30 ГГц, их использование на частотах до 16 ГГц включительно представляется более целесообразным в силу меньшей поверхностной плотности и способности сохранять радиотехнические характеристики в течение всего срока эксплуатации.

Таблица 2

Показатели физико-механических свойств радиоотражающих тканей

Наименование показателя свойств	Артикул ткани
	Требование	56041	5477-15	5478-15	5487-15
Сырьевой состав	Термостойкие электропроводящие нити	Полиамид + медь	АРМАЛОН + медь	АРМАЛОН + сталь	РУСЛАН + 2*сталь
Линейная плотность основы и утка, текс	–	45,4	32,5	11,1	23,7
Поверхностная плотность ткани, г/м2	Не более 150	180,3	128,6	52,8	100,4
Толщина ткани, мкм	Не более 280	320	234	130	225
Разрывная нагрузка, Н: по основе по утку	Не менее 550 Не менее 520	720,0 697,6	724,9 719,6	– –	– –
Удлинение при разрыве, %: по основе по утку	– –	27,1 24,0	7,7 8,9	– –	– –
Разрывная нагрузка после термообработки, Н: по основе по утку	– –	41,6 41,5	411,0 323,0	– –	– –
Удлинение при разрыве после термообработки, %: по основе по утку	– –	9,5 7,7	5,8 7,3	– –	– –

Таблица 3

Радиотехнические характеристики радиоотражающих тканей при частоте 16 ГГц

Артикул	Поверхностная плотность, г/м2	Поляризация излучения	K отр		K прох		K погл
			%	дБ	%	дБ	%
5477-15	128,6	||	98,06	–0,09	0,27	–25,7	1,67
		⊥	98,31	–0,07	0,48	–23,2	1,21
5478-15	52,8	||	91,88	–	0,37	–25,0	7,64
		⊥	88,60	–	0,39	–23,3	11,0
5487-15	100,4	||	95,20	–0,21	0,14	–28,5	4,66
		⊥	96,60	–0,15	0,18	–27,4	3,20
56041	180,3	||	94,15	–	0,26	–25,7	5,59
		⊥	94,92	–	0,28	–25,5	4,80
Н30-Т-5457/12	130,0	||	97,77	–	0,03	–	–
		⊥

а

Рис. 4. Термостойкие радиоотражающие ткани: а – ткань из нитей с одиночной медной оплеткой; б – ткань из нитей с двойной стальной оплеткой

б

Заключение. По итогам выполненной работы заказчиком был сделан выбор в пользу использования новой ткани арт. 5477-15, изготовленной из комбинированных термостойких электропроводящих нитей. Разработанная ткань отличается от существующих аналогов высокой термостойкостью, меньшей толщиной и поверхностной плотностью, отсутствием газо-выделения, стабильностью размеров при термообработках, не уступает серийной ткани в прочности и обладает требуемыми значениями коэффициента отражения электромагнитного излучения. Начат серийный выпуск новой ткани в соответствии с утвержденными техническими условиями – ТУ 8378-19835227510-2015.