ГОСТ Р 25645.338-96 Материалы полимерные для космической техники. Требования к испытаниям на стойкость к воздействию вакуумного ультрафиолетового излучения

ГОСТ Р 25645.338-96

Группа Л29

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МАТЕРИАЛЫ ПОЛИМЕРНЫЕ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Требования к испытаниям на стойкость
к воздействию вакуумного ультрафиолетового излучения

Polymeric materials for space technique. Requirements
for far ultraviolet radiation stability tests

ОКС 49.040.10*

ОКСТУ 2202

____________________

* В указателе "Национальные стандарты" 2007 г.

ОКС 83.080. - .

Дата введения 1998-01-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Государственным научным центром Российской Федерации "Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я.Карпова" (филиал) и Всероссийским научно-исследовательским институтом стандартизации Госстандарта России

2 ПРИНЯТ И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Госстандарта России от 3 декабря 1996 г. N 664

3 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт распространяется на органические полимерные материалы (далее - материалы), применяемые в изделиях космической техники, расположенных на внешней поверхности космического аппарата.

Стандарт устанавливает общие требования к испытаниям материалов на стойкость к воздействию электромагнитного излучения Солнца в области вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ) длиной волны от 10 до 200 нм.

Характеристики этой области излучения Солнца - по ГОСТ 25645.149.

2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.197-86* ГСИ. Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений спектральной плотности энергетической яркости оптического излучения в диапазоне длин волн 0,04-0,25 мкм

________________

* На территории Российской Федерации действует ГОСТ 8.197-2005. Здесь и далее по тексту. - .

ГОСТ 8.552-86* ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений потока излучения и энергетической освещенности в диапазоне длин волн 0,03-0,4 мкм

________________

* На территории Российской Федерации действует ГОСТ 8.552-2001. Здесь и далее по тексту. - .

ГОСТ 9.706-81 ЕСЗКС. Материалы полимерные. Методы испытаний на стойкость к радиационному старению

ГОСТ 25645.149-89 Излучение солнечное ультрафиолетовое коротковолновое. Характеристики величин потоков

ГОСТ 25645.323-88 Материалы полимерные. Методы радиационных испытаний

ГОСТ 25645.331-91 Материалы полимерные. Требования к оценке радиационной стойкости

ГОСТ 26148-84 Фотометрия. Термины и определения

ГОСТ Р 50109-91* Материалы неметаллические. Метод испытания на потерю массы и содержание летучих конденсируемых веществ при вакуумно-тепловом воздействии

_________________

* Вероятно ошибка оригинала. Следует читать ГОСТ Р 50109-92 Материалы неметаллические. Метод испытания на потерю массы и содержание летучих конденсируемых веществ при вакуумно-тепловом воздействии. - .

3 ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем стандарте применяют следующие термины и их определения:

1 Вакуумное ультрафиолетовое излучение (ВУФ) - электромагнитное излучение Солнца в диапазоне длин волн 10-200 нм.

2 Облученность - физическая величина, определяемая отношением потока излучения, падающего на малый участок поверхности, содержащий рассматриваемую точку, к площади этого участка (ГОСТ 26148).

3 Энергетическая экспозиция - физическая величина, определяемая интегралом облученности по времени (ГОСТ 26148-84).

4 ВУФ-индекс стойкости полимерного материала - энергетическая экспозиция (для необратимых эффектов) или облученность (для обратимых эффектов), при которой достигается арбитражный критерий по характерному или определяющему показателю.

5 Характерный показатель стойкости полимерного материала к воздействию ВУФ - показатель, характеризующий эксплуатационное свойство полимерного материала, по изменению которого контролируют результаты всех видов воздействия ВУФ на материалы.

6 Определяющий характерный показатель стойкости полимерного материала к воздействию ВУФ - характерный показатель стойкости материала к воздействию ВУФ, при нахождении значений которого в пределах установленных норм сохраняется способность материала выполнять свои функции в изделии в процессе или после облучения.

7 Арбитражный критерий стойкости полимерного материала к воздействию ВУФ - относительное изменение характерного или определяющего характерного показателя стойкости материала к воздействию ВУФ в процессе или после облучения.

4 ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

4.1 Испытания материалов на стойкость к воздействию ВУФ являются предварительным этапом испытаний на стойкость к воздействию электромагнитного излучения Солнца (ЭМИС).

Материалы, стойкие к воздействию ВУФ, должны пройти испытания на воздействие ближнего ультрафиолетового излучения (длина волны 200-400 нм) раздельно или совместно с воздействием ВУФ.

4.2 Испытания материалов на воздействие ВУФ проводятся до энергетической экспозиции , Дж/м, соответствующей времени эксплуатации в космическом пространстве , с, в составе изделия и указанному в техническом задании на проведение испытаний. Облученность на околоземных орбитах составляет 0,1 Вт/м.

Норма испытаний определяется как

.

4.3 При проведении испытаний необходимо моделировать:

- спектральное распределение плотности излучения и интенсивность ВУФ в интервале 10-200 нм;

- остаточное давление, соответствующее собственной атмосфере космического аппарата;

- температуру изделий на поверхности космического аппарата.

4.4 Спектральное распределение плотности излучения источника ВУФ должно быть максимально приближенным к спектру ЭМИС в указанном выше диапазоне длин волн (рисунок 1). В связи со спецификой взаимодействия ВУФ с органическими веществами спектр ВУФ допускается моделировать:

- излучением со спектральным распределением, приближенным к указанному на рисунке 1, в том числе ограниченным сверху по длине волны 160-170 нм, например, излучением в разряде газообразного водорода, гелия (рисунок 1) либо дейтерия;

- монохроматическим излучением с длиной волны в окрестности линии Лаймана , равной 121,6 нм, например, в разряде криптона (рисунок 2) и ксенона (рисунок 3);

- непрерывным излучением газоструйного источника ВУФ (таблица 1).

1 - излучение Солнца; 2 - излучение гелиевой лампы; 3 - излучение водородной лампы

Рисунок 1 - Спектральное распределение излучений

Рисунок 2 - Спектральное распределение излучения криптоновой лампы

Рисунок 3 - Спектральное распределение излучения ксеноновой лампы

Таблица 1 - Облученность от газоструйного источника ВУФ* и Солнца

_______________

* Расход газа 32 см/с; плотность тока 0,15 а/см; оптимальная энергия возбуждающих электронов 1,1 кэВ; расстояние от источника 1 м; состав газа: Ar +7·10% Kr +1·10% Xe +2·10% CH

Облученность - не менее 0,1 Вт/м.

4.5 Остаточное давление в испытательной камере должно быть в диапазоне 1010 Па.

4.6 Температура образца материала должна поддерживаться в диапазоне 170420 К и определяться требованиями ТЗ.

4.7 В качестве источников ВУФ следует применять водородные и дейтериевые разрядные лампы (например типов ДВС и ДДС, ВМФ-25), а также аналогичные лампы с гелиевым заполнителем.

Допускается применять:

- резонансные газонаполненные лампы типа КрР (криптон, 123,6 нм), КсР (ксенон, 147 нм) и ЛГВ (водород, 121,6 нм);

- газоструйные источники типа ГИС;

- синхротронное излучение.

При использовании источников типа ГИС и синхротронного излучения необходимо обеспечить фильтрацию потока ВУФ от сопутствующих заряженных частиц, нейтральных молекул и атомов (например путем дифференциальной откачки газового тракта источника излучения).

4.8 При применении окон для ввода пучка излучения они должны выполняться из материалов, прозрачных в области ВУФ, например фтористого лития или дифторида магния.

4.9 Основные требования к источникам ВУФ:

- стабильность потока ВУФ не хуже ±15% за период испытаний в отсутствие мониторирования;

- облученность в месте расположения образца материала - не менее 0,1 Вт/мм;

- равномерность облучения образца - не хуже ±15%.

4.10 Основные требования к вакуумному оборудованию:

- испытательная вакуумная камера должна быть изготовлена из материалов, пригодных для работы в высоком вакууме. В этих целях могут использоваться нержавеющая сталь, неорганические стекла и керамика;

- температура стенок камеры должна быть ниже температуры образца (или подложки). С этой целью в камере должны быть криогенные экраны либо двойная стенка с зазором для охлаждения;

- необходимо постоянно контролировать состав газовой атмосферы в камере по содержанию органических примесей; во избежание влияния этих примесей на результаты испытаний рекомендуется периодически проводить обезгаживание внутренних поверхностей камеры при температуре не ниже 420 К и обеспечить совместимость образцов по газовыделению;

- вакуум в камере создается и поддерживается с помощью безмасляных насосов. Рекомендуется использовать ионные, сублимационные, турбомолекулярные (например типов ТМН-200, ТМН-300 и т.п.), магниторазрядные (например типов МДО-100, МДО-200 и т.п.) насосы;

- вакуум в камере должен постоянно контролироваться;

- образец материала должен экранироваться от фотоэлектронов, образующихся при взаимодействии ВУФ с элементами конструкции камеры.

4.11 Характерные показатели материала необходимо измерять в процессе облучения. Допускается измерять необратимые эффекты в значениях характерных показателей до и после облучения без нарушения вакуума в камере. С этой целью конструкция вакуумной камеры должна обеспечивать:

- при испытании конструкционных материалов - приложение механической нагрузки к образцу вплоть до достижения разрушающего напряжения;

- при испытании электроизоляционных материалов - наложение электрических полей;

- при измерении оптических характеристик материалов - введение оптического измерительного тракта (зеркала, приемника, монохроматора зондирующего излучения и т.п.);

- нагрев и охлаждение образцов материала до заданных температур;

- при измерениях триботехнических характеристик материала - использование схемы трения.

Допускается измерять характерные показатели материалов после облучения в воздушной среде, если их значения не определяются состоянием поверхности образца, а толщина образцов не менее 100 мкм. При этом, если температура облучения была ниже температуры стеклования материала, образец должен быть нагрет до и выдержан в течение 30 мин до снижения вакуума.

4.12 Допускается проводить ускоренные испытания материалов на стойкость к воздействию ВУФ при определении необратимых эффектов при кратности ускорения до 10 (по соображениям нагрева). При этом повышение температуры образца сверх заданной за счет поглощения энергии излучения (в том числе в ИК-области) не должно превышать 30 К, если в этот интервал не попадает фазовый переход данного материала.

Предварительно для одного из материалов того же класса, что и испытуемый, рекомендуется проверить зависимость эффекта воздействия ВУФ от облученности. С этой целью проводят испытания материала по заданному характерному показателю при различных значениях (не менее трех значений, каждое из которых отличается на порядок от предыдущего, начиная от 0,1 Вт/м). Энергетическая экспозиция и температура образца во всех случаях должна быть одинаковой. За допустимую кратность ускорения принимают такое ее значение, при котором отличие в измеряемом необратимом эффекте по сравнению с предыдущим выходит за суммарную погрешность измерений характерного показателя и дозиметрии.

Обратимые эффекты определяют при значениях , равных (0,1±0,03) Вт/м.

4.13 Набор заданной энергетической экспозиции рекомендуется проводить без перерывов в облучении. В противном случае не допускается превышать остаточное давление в испытательной камере при отключении источника ВУФ более 10 Па.

4.14 Размеры и количество образцов должны соответствовать требованиям ГОСТ 25645.323 и ГОСТ 9.706. Перед испытаниями образцы должны пройти кондиционирование - вакуумное обезгаживание при максимально допустимой для данного материала температуре не менее 1 ч.

4.15 В связи с поглощением ВУФ в тонком слое образцов материала измерения характерных показателей, определяемых состоянием поверхности материала (оптических, триботехнических, поверхностная электропроводность) проводить только с облучаемой стороны материала.

5 ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДАМ ДОЗИМЕТРИИ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

5.1 Мерой воздействия ВУФ на материалы является энергетическая экспозиция (Дж/м) и облученность (Вт/м). В связи с полным поглощением энергии квантов ВУФ в детекторе соотношение между энергетической экспозицией и потоком квантов ВУФ , квант/м, имеет вид

, (1)

где - число квантов ВУФ в пределах -й энергетической группы спектра источника ВУФ;

- средняя энергия квантов, эВ/квант.

5.2 Выбор детектора излучения определяется типом источника ВУФ, применяемого при испытаниях материалов (4.7), и требованиями ГОСТ 8.552 к рабочим средствам измерений в диапазонах длин волн 30-102 и 103-400 нм.

5.3 В соответствии с требованиями ГОСТ 8.552 пределы допускаемых относительных погрешностей детекторов ВУФ (рабочих средств измерений) не должны превышать:

в диапазоне длин волн 30-102 нм - 6·10;

в диапазоне длин волн 103-400 нм - (6-15)·10.

5.4 Для водородных, дейтериевых и гелиевых разрядных ламп рекомендуются детекторы на основе фотоумножителей с покрытием из фосфоров, например салицилового натрия, квантовый выход которых не зависит от длины волны в диапазоне 100-200 нм.

Допускается применять химический газовый дозиметр на основе кислорода, квантовый выход которого равен 2,0 молекул/квант и не зависит от энергии излучения в диапазоне длин волн 100-200 нм. В этом случае энергетическую экспозицию или облученность получают делением показания дозиметра на относительную долю энергии ВУФ в интервале длин волн 100-200 нм во всем спектральном распределении излучения источника.

5.5 Для криптоновых и ксеноновых ламп в качестве детекторов, кроме указанных в 5.4, можно применять:

- дозиметр на основе закиси азота NO с квантовыми выходами 1,4 и 1,1 молекул/квант - для длин волн излучения 147 и 123,6 нм соответственно:

- дозиметр на основе углекислого газа СО с квантовыми выходами 0,7 и 0,75 молекул/квант - для длин волн излучения 147 и 123,6 нм соответственно.

Плотность потока квантов ВУФ , квант·м·с, вычисляют по формуле

, (2)

где - концентрация продуктов фотолиза, моль/дм;

- объем дозиметрической ячейки, дм;

- число Авогадро;

- квантовый выход продуктов фотолиза, молекул/квант;

- время облучения, ч;

- площадь выходного окна в ячейке, м.

Переход от плотности потока квантов ВУФ к плотности потока энергии - по соотношению, аналогичному формуле (

1).

5.6 Для криптоновых ламп рекомендуется также применять ионизационную камеру типа КФЛ-2, заполненную окисью азота и имеющую выходные окна из фтористого лития или магния.

Чувствительность камеры ограничена диапазоном длин волн 115-125 нм с погрешностью 12%.

Указанная камера допускается для дозиметрии источника с широким спектром ВУФ (разрядные лампы, ГИС, синхротронное излучение). Энергетическую экспозицию или облученность получают делением показания камеры на относительную долю энергии ВУФ в интервале длин волн 115-125 нм во всем спектре источника.

5.7 Каждый детектор должен градуироваться в энергетических единицах в соответствии со спектром излучения конкретного источника ВУФ и требованиями ГОСТ 8.197 и ГОСТ 8.552.

5.8 Дозиметрия ВУФ должна проводиться перед началом и по завершению каждого испытания.

6 ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ

6.1 На основе сопоставления результатов испытаний и предельных значений характерных показателей, установленных в ТЗ, дают заключение о стойкости материала к воздействию ВУФ.

6.2 В зависимости от функционального назначения материала, указанного в ТЗ на испытания, определяющими характерными показателями стойкости материала к воздействию ВУФ являются оптические и (или) триботехнические и прочностные показатели.

6.3 К оптическим показателям относят интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения и интегральную излучательную способность в полусферу , а также их отношение .

К триботехническим показателям относят коэффициент трения.

К прочностным показателям относят прочность при изгибе.

6.4 Испытания на стойкость материалов по определяющим характерным показателям являются обязательными.

6.5 Характерный показатель для конкретного материала устанавливает в ТЗ заказчик, исходя из функционального назначения материала в конструкции космического аппарата.

6.6 К характерным показателям стойкости материала к воздействию ВУФ относят:

для конструкционных материалов силового назначения - прочность при разрыве, относительное удлинение при разрыве, радиационная долговременная прочность, радиационная потеря массы;

для конструкционных материалов электроизоляционного назначения - удельное поверхностное электрическое сопротивление, электрическая прочность.

6.7 Значения арбитражных критериев стойкости материалов к воздействию ВУФ и НТД на метод определения показателей для вышеперечисленных характерных показателей приведены в ГОСТ 25645.331. Метод определения радиационной потери массы по ГОСТ Р 50109.

6.8 Характерные показатели и арбитражные критерии стойкости к воздействию ВУФ для оптических и триботехнических характеристик материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2

6.9 По аналогии с требованиями ГОСТ 25645.331 количественной характеристикой стойкости материалов к воздействию вакуумного ультрафиолетового излучения является ВУФ-индекс стойкости, определяемый как энергетическая экспозиция (для необратимых эффектов) или как облученность (для обратимых эффектов), при которой достигается арбитражный критерий по характерному или определяющему характерному показателю при определенной толщине материала в изделии и условиях эксплуатации.

Электронный текст документа

и сверен по:

М.: ИПК Издательство стандартов, 1997