Результат интеллектуальной деятельности: Материал для экранно-вакуумной теплоизоляции и способ его изготовления

Материал для экранно-вакуумной теплоизоляции и способ его изготовления.

Изобретение относится к области тепловой защиты объектов космической и криогенной техники, в частности, к экранно-вакуумной беспылевой теплоизоляции космических аппаратов (ЭВТИ), а также может быть использовано в нефтяной и химической промышленностях, медицине и др. отраслях народного хозяйства.

Обычно ЭВТИ представляет пакет чередующихся теплоотражающих экранов, например, из металлизированной полиэтилентерефталатной пленки и сепарационных прокладок из нетканых материалов, например стеклянного холста или разреженных тканей (стеклянных или синтетических). При этом сепарационная прокладка должна быть совмещена с теплоотражающим экраном таким образом, чтобы при раскрое, монтаже и эксплуатации предотвратить смещение прокладки относительно экрана, обеспечив тем самым сохранение целостности конструкции пакета ЭВТИ.

ЭВТИ эксплуатируется в вакууме до 10^-1 мм рт.ст. и выше и температуре от минус 150 до +400°С.

Кроме того, от ЭВТИ требуется быстрое газоудаление при эксплуатации в безвоздушном пространстве, например в космосе, поэтому пленочные теплоотражающие экраны перфорируют. При недостаточной скорости газоудаления может возникнуть набухание пакета ЭВТИ с образованием надрывов и разрушением пакета.

Существует множество способов крепления теплоотражающих экранов с сепарационной прокладкой.

Известны способы прошивки металлизированных экранов с тканью, например, по патентам SU №1839976 (B64G 1/58), SU №31840181 (B64G 9/00), SU №1106955 (F16L 5/06), USA №7252890 (B64G 1/58), RU №2269146 (B64G 1/58), RU №57145 (B01J 20/28).

Эти технические решения имеют существенный недостаток -увеличивается количество сквозных отверстий, что при прошивке часто приводит к механическим повреждениям слоев, и, таким образом, к снижению прочности пакета ЭВТИ в целом.

Известны способы изготовления материала для ЭВТИ путем механического соединения слоев с помощью кнопок, пуговиц, клея, например, по патентам RU №2384492 (B64G 1/58), USA №6497390 (B64G 1/58). Такие способы требуют применения дополнительных материалов в виде кнопок, пуговиц, что снижает эффективность ЭВТИ, т.к. увеличивается кондуктивная теплопередача, а применение клея повышает газовыделение за счет деструкции клея в процессе эксплуатации, особенно, в экстремальных условиях.

Известны способы соединения слоев материала ЭВТИ путем спекания, например, по патенту RU №2397926 (B64G 1/58). При спекании слоев материалов ЭВТИ происходит деструкция и разрушение материалов пленки со значительным газовыделением продуктов разложения.

Известны многочисленные способы получения многослойного материала путем термокомпрессионной сварки, например, по патентам RU №2493058 (B64G 1/58), RU №2166740 (G01L 7/08), RU №2411473 (G01L 7/08), заявке ЕПВ №0219149 (G01L 5/00). Термокомпрессионные способы соединения путем точечной сварки не обеспечивают равномерное соединение слоев пленки и прокладочного материала по всей поверхности при изготовлении ЭВТИ больших площадей, а в случае сплошной сварки увеличивается теплопередача, что снижает эффективность ЭВТИ.

Известны технические решения соединения перфорированной металлизированной пленки с частично подплавленным нетканым материалом, например, по патенту RU №13043 (D04H 1/40), принятые за прототип для материала и способа его получения. При частичном подплавлении нетканого материала он, как правило, сдвигается и перекрывает перфорационные отверстия пленки, что снижает скорость газоудаления, кроме того, увеличивается теплопередача за счет большего пятна контакта между теплоотражающим и сепарационным слоями, а использование волокнистого синтетического материала приводит к пылеобразованию, т.о. в целом уменьшается эффективность ЭВТИ.

Задачей изобретения является способ изготовления и материал для ЭВТИ с уменьшением времени газоудаления за счет фиксированного прочного безсдвигового соединения металлизированных перфорированных экранов с беспылевым сепарационной прокладкой в виде разреженной ткани с одновременным достижением высокой механической прочности и низкой теплопроводности.

Эта задача решается тем, что в материале для экранно-вакуумной теплоизоляции, состоящем из чередующихся слоев экранов металлизированной теплоотражающей перфорированной пленки и сепарационной прокладки, в качестве которой использована разреженная ткань, при этом упомянутые слои сварены по краям перфорированных отверстий, диаметр которых от 1 до 8 мм, а шаг перфорации составляет от 10 до 50 мм.

Эта задача решается также за счет того, что чередующиеся слои экранов металлизированной теплоотражающей перфорированной пленки и разреженной ткани сваривают одновременно по краям всех перфорированных отверстий металлизированной пленки.

Сварка может быть выполнена любым методом, например лазерным, терморезистивным, СВЧ.

Приведем примеры экспериментальной отработки изобретения.

Пример 1

Материал для ЭВТИ с температурой эксплуатации от минус 150 до +150°С, поверхностно плотностью 11,5 г/м², состоит из пленки полиэтилентерефталатной металлизированной с двух сторон, толщиной 5 мкм (марка ПЭТ-КДА, ТУ 6-49-04719662-119-93) и ткани полиэфирной (артикул 5440-11, ТУ 2278-185-35227510-2012), термостатированной, с поверхностной плотностью 4,5 г/м², которые соединены термической сваркой по краям перфорационных отверстий диаметром 2 мм, с шагом перфорации 50 мм. Сварка проведена на установке УСП-01. Режимы сварки: время сварки 0,3 с, температура сварки 190°С, скорость перемотки 1,0 м/мин.

Пример 2

Материал для высокотемпературной ЭВТИ с температурой эксплуатации от минус 200 до +350°С, массой 32 г/м², состоит из пленки полиимидной металлизированной с двух сторон, толщиной 12 мкм (марка ПМ-1ЭУ-ДА, ТУ 6-49-04719662-118-93) и термостатированной ткани аримидной полотняного плетения, выработанной из аримидной нити исходной линейной плотности 6,0 текс с термопластичным покрытием на основе термопластичного полиимидного лака (артикул ткани 5432-10, ТУ 8278-178-35227510-2011), поверхностная плотность ткани 15 г/м², которые соединены термической сваркой по краям перфорационных отверстий диаметром 2 мм, с шагом перфорации 50 мм. Сварка проведена на установке УСП-01. Режимы сварки: время сварки 0,6 с, температура сварки 330°С, скорость перемотки 0,3 м/мин.

Пример 3

Материал для высокотемпературной ЭВТИ с температурой эксплуатации от минус 200 до +250°С, массой 21,5 г/м², состоит из пленки полиимидной термопластичной, толщиной 12 мкм (марка ПИ-ПК-200, ТУ 6-05-211-1392-85), металлизированной с двух сторон, и ткани технической, выработанной с использованием нити из ароматического полиамида с линейной плотностью 2,0 текс (артикул 5394-07, ТУ 8378-147-35227510-2007); поверхностная плотность ткани 4,5 г/м², которые соединены термической сваркой по краям перфорационных отверстий диаметром 2 мм, с шагом перфорации 50 мм. Сварка проведена на установке УСП-01. Режимы сварки: время сварки 0,5 с, температура 280°С, скорость перемотки 0,8 м/мин.

Полученные материалы для ЭВТИ обладают существенно меньшим пылевыделением по сравнению с аналогичным ЭВТИ, где в качестве сепараторов используют нетканые материалы (Фиг. 1).

Образцы испытывались в одинаковых условиях вибрационных нагрузок при давлении продувки равном 0,1 кгс/см². Замеры осуществлялись анализатором запыленности A3-10.

Зависимость времени газоудаления материала и зависимость термического сопротивления материала от диаметра отверстий перфорации показаны в таблице 2 (Фиг. 2 и Фиг. 3), а зависимость прочности и времени газоудаления от шага перфорации показаны в таблице 3 (Фиг. 4 и Фиг. 5).

При шаге перфорации меньше 10 мм снижается прочность материала ниже допустимого предела эксплуатации, а при шаге более 50 мм возрастает время газоудаления.

Для сравнения термическое сопротивление, R мата ЭВТИ аналогичных конструкций при испытании в стандартных условиях при вакууме 1⋅10^-5 мм рт.ст. составляет: - 51 К⋅м²/Вт, для ЭВТИ с 27 слоями материала из пленки ПЭТ-КДА толщиной 5 мкм и ткани полиэфирной соединенной по краям перфорированных отверстий (пример 1); - 45 К⋅м/Вт для ЭВТИ-2А с 27 слоями материала ПЭТ-КДА толщиной 5 мкм и холста нетканого стеклянного ХСВН 7.

Таким образом, предлагаемый материал для ЭВТИ и способ его изготовления дают возможность уменьшить время газоудаления за счет фиксированного прочного безсдвигового соединения металлизированных перфорированных экранов с беспылевой сепарационной прокладкой в виде разреженной ткани с одновременным достижением высокой механической прочности и низкой теплопроводности.

Предлагаемый материал удобен при изготовлении ЭВТИ, т.к. при раскрое и монтаже отсутствует взаимное смещение скрепленных слоев теплоотражающего экрана и сепарационной прокладки.

Сепарационная прокладка может быть выполнена в виде разреженной ткани из термопластичной нити или нити с покрытием термопластичным полимером.

Способ изготовления позволяет упростить процесс изготовления ЭВТИ за счет объединения стадии перфорации и крепления экрана с прокладкой, а так же обеспечить их эффективное крепление при минимальном механическом повреждении и минимальном пятне контакта между экраном и сепарационной прокладкой.

Для сварки может быть использована сварочно-перфорационная установка. Ткань и пленка подаются с двух размоток с постоянной скоростью и совмещаются в зоне сварки. Рабочий инструмент, например постоянно нагретый электрод в виде рейки двигаясь синхронно с пленкой совершает рабочий цикл сварки состоящий из: - опускания прижимной планки; - опускания горячих электродов; - непосредственно контактной сварки; - подъема электродов; - остывания сваренного материала; - подъема прижимной планки. После этого узел сварки возвращается в противоположном направлении движения пленки, при этом необходимый шаг перфорации задается автоматически, и цикл повторяется при постоянной скорости перемотки. Готовый материал сматывается на приемный вал с постоянной скоростью.