Новая защита космических кораблей от электростатики и радиации
Современная радиоэлектроника, работающая на борту космических аппаратов, находится под постоянным воздействием окружающей космической плазмы. В результате её ионизирующего излучения в диэлектрических материалах космических аппаратов накапливается заряд, возникают электростатические разряды, приводящие к отказам электроники, и, в конечном счете, выходу из строя самого аппарата.
В мире имеются только три научно-исследовательских центра, обладающих аппаратурой и кадрами, способными исследовать эффекты электризации материалов для космических аппаратов в условиях, близких к естественным: это лаборатория Функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ НИУ ВШЭ, лаборатория Джона Деннисона (John Robert Dennison) в Университете Юты (США) и лаборатория Тьери Полмира (Thierry Paulmier) в Тулузе (Франция).
Для измерения проводящих свойств разработанных пленок сополимера на основе полиариленэфиркетонов на эти пленки методом вакуумного напыления наносили очень тонкие алюминиевые электроды. Приготовленные таким образом образцы помещались в вакуумную камеру, оснащенную электронной пушкой. Обстреливая пленки электронами с энергией 50000 электронвольт, исследователи измеряли радиационную проводимость, возникающую в полимере вследствие создания электронно-дырочных пар при действии ионизирующего излучения. Этот параметр определяет эффективность отвода накапливаемого заряда. При этом изучалась зависимость тока, проходящего через пленку, от напряжения на электродах (вольт-амперная характеристика). Высокая сверхлинейность этой характеристики указывала на усиленную способность полимеров отводить накапливаемый в них электрический заряд.
Ученых также интересовало наличие эффекта переключения в этих пленках. Он состоит в том, что в сильном электрическом поле наблюдается резкий скачкообразный обратимый переход полимера из высокоомного состояния в низкоомное. В этом состоянии полимер хорошо проводит ток.
До сих пор не существует общепринятой физической модели, описывающей эффект переключения в полимерных пленках. Но низкие пороги переключения проводимости в электрических полях у полимерных пленок и обратимость этих эффектов выглядят весьма многообещающе. Очень важно, что в этом сополимере можно менять количество фталидных групп в расчете на изменение условий возникновения эффекта переключения.
Авторы этой работы исследовали свойства транспорта зарядов со-PAEK с разным количеством фталидных групп в его составе. Они синтезировали пленки толщиной от 20 до 25 микрон с содержанием фталидных групп 3, 5 и 50 процентов. Результаты работы опубликованы в журнале Polymers.
Полученные результаты показали, что, что в исследуемом диапазоне электрического поля увеличение количества фталидных групп в сополимере со-ПАЕК от 3 до 50 процентов практически не приводило к изменению радиационной проводимости, и указывало на то, что в этих экспериментах носители движутся изолированно и величины электрического поля еще недостаточны для их коллективного взаимодействия с формированием проводящих каналов, что приводит к переходу полимера из высокоомного состояния в низкоомное.
К сожалению, при указанных толщинах пленок при дальнейшем увеличении электрического поля происходил их пробой — так что «в космонавты» их записывать пока рано. Тем не менее, как считают исследователи, сам материал чрезвычайно перспективен, и для выявления эффекта переключения необходимо только время и дальнейшие эксперименты. Уже сейчас этот сополимер используется для защиты опытных образцов фотоэлементов солнечных батарей космических аппаратов.