Die Anforderungen an langfristige Zuverlässigkeit, kompromisslose Sicherheit und geringes Gewicht haben Hochleistungskunststoffe zu den Materialien der Wahl für eine Vielzahl von Anwendungen in der Raumfahrtausrüstung gemacht. Bauteile, die aus Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI, Vespel PI, Ryton R-4 PPS und anderen fortschrittlichen Polymeren maschinell bearbeitet oder spritzgegossen werden, haben ihre Fähigkeiten seit Jahrzehnten unter Beweis gestellt, und ihre Akzeptanz wächst parallel zur Raumfahrtindustrie weiter.
Welche Eigenschaften von Kunststoffen sind für Raumfahrzeuganwendungen wichtig?
Hochleistungskunststoffe bieten Eigenschaften, die eine Reihe komplexer technischer und materialtechnischer Herausforderungen im Zusammenhang mit Raumfahrzeuganwendungen lösen:
- Duktilität und Zähigkeit bei kryogenen Temperaturen
- Beibehaltung der Festigkeit in der Nähe der hohen Temperaturen von Antriebssystemen
- Strukturelle Integrität, um extremen Vibrationskräften standzuhalten, vom Raketenstart über verschiedene Flugphasen hinweg
- Beständigkeit gegen feste und flüssige Treibstoffe, Hydraulikflüssigkeiten und andere Chemikalien
- Einhaltung der industriellen Sicherheitsstandards für Flammen- und Rauchentwicklung
- Geringe Vakuumausgasung zur Vermeidung übermäßiger Ablagerung von chemischen Kondensaten, die optische Komponenten und Präzisionssysteme verunreinigen können
- Beibehaltung von Festigkeit und Duktilität nach Langzeitbestrahlung
Welche Hochleistungskunststoffe haben die Eigenschaften, die für Raumfahrtanwendungen benötigt werden?
Mehrere fortschrittliche Polymere haben sich in strukturellen, elektrischen, flüssigen und mechanischen Systemen von Raumfahrzeugen bewährt. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften und ihre Toleranz gegenüber Chemikalien und Strahlung ermöglichen es den Ingenieuren, das optimale Material für jede Komponente in ihrer Betriebsumgebung zu bestimmen.
Die folgenden Hochleistungskunststoffe verfügen über einzigartige Eigenschaftsprofile, die für bestimmte Anwendungsanforderungen gut geeignet sind:
- Torlon PAI(Polyamide-imide), Vespel PI (Polyimide) und Ultem PEI(Polyether-imide) sind Imid-Polymere, die ihre Festigkeit auch bei kryogenen Temperaturen und extrem hohen Temperaturen beibehalten und der Strahlung standhalten.
- Ketonpolymere zeichnen sich durch ihre chemische Beständigkeit aus. Dazu gehören PEEK (Polyetheretherketon), PEK (Polyetherketon) und die Hochtemperaturpolymere PEEK XT und HT PEK.
- Ryton R-4 PPS, ein Polyphenylsulfon mit einem Anteil von 40% Glasfasern, ist ein hochfestes Material mit ausgezeichneter chemischer Beständigkeit. Es hat keine bekannten Lösungsmittel unter 200°C.
- PCTFE, ein Fluorpolymer, eignet sich gut als Material für kryogene Dichtungen in LOX, LH2 und anderen Flüssiggassystemen. Es hat außerdem einen hohen LOI (Sauerstoffgrenzwert), um die strengen Anforderungen an die Entflammbarkeit zu erfüllen.
- Alle erfüllen die Industriestandards für Entflammbarkeit und Rauchentwicklung für verschiedene Anwendungen.
Technischer Hinweis: Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI und andere Hochleistungspolymere sind in Grades mit Glasfasern oder Kohlefasern erhältlich, die die Festigkeit erhöhen, sowie mit Festschmierstoffen, die die Lager- und Verschleißeigenschaften verbessern.
Welche Kunststoffe halten der Strahlung im Weltraum stand?
- Die ständige Bestrahlung im Weltraum kann bestimmte Polymere zersetzen. Viele verspröden in relativ kurzer Zeit.
- Torlon PAI, PEEK und Ultem PEI behalten ihre Eigenschaften auch bei anhaltend hoher Strahlenbelastung außergewöhnlich gut bei.
- Die Strahlungsbeständigkeit dieser Polymere wurde in einem Testbericht des American Composites Manufacturing Learning Center bestätigt, der im Folgenden zusammengefasst ist.
- Torlon 5030 PAI, ein hochfestes, zu 30 % glasfaserverstärktes Polymer, wurde von Drake Plastics in Halbzeuge extrudiert und zu Teilen verarbeitet, die als Testobjekte dienten. Die Teile aus Torlon 5030 wiesen die erforderlichen mechanischen Eigenschaften auf, um die Tests bei109 Rad , der höchstenStrahlenbelastung , zufriedenstellend zu bestehen.
- Victrex PEEK, ein weiteres Polymer, das Drake Plastics extrudiert zu hochleistungsfähige Halbzeuge und spanend bearbeitete Teile extrudiert, wurde ebenfalls bei 109
- Teile bearbeitet aus 30% glasverstärktem Ultem 2300 PEI zeigten ebenfalls eine beeindruckende Erhaltung der Eigenschaften bei108
Warum ist niedrige Ausgasung für Kunststoffe in der Raumfahrtindustrie wichtig?
- Einige Kunststoffe neigen im Vakuum zur Ausgasung und können übermäßige Mengen an flüchtigen Stoffen freisetzen.
- Diese flüchtigen Stoffe können kritische Systeme von Raumfahrzeugen verunreinigen und optische Elemente und Solaranlagen trüben, wodurch deren Wirksamkeit beeinträchtigt wird.
Welche Kunststoffe weisen eine geringe Vakuumausgasung auf?
- Ein Vorteil von Torlon PAI und PEEK für den Einsatz in Raumfahrzeugen ist, dass sie die Bedenken hinsichtlich der Ausgasung im Vakuum, die bei einigen Kunststoffen in der Schwerelosigkeit auftreten kann, zerstreuen.
- Im Auftrag der NASA durchgeführte Tests haben bestätigt, dass bestimmte Grade von Torlon PAI und PEEK als gering ausgasende Materialien eingestuft werden. Dies basiert auf TML-Werten (Total Mass Loss), die unter 1% liegen, und einem CVCM-Wert (Collected Volatile Condensable Material) von weniger als 0,1%.
- Die NASA führt die spezifischen Grade von Torlon PAI und PEEK, die getestet wurden, sowie die Details ihrer Testergebnisse in der Liste der Materialien mit geringer Ausgasung auf, die die Behörde für Anwendungen in Raumfahrzeugen führt.
Welche Kunststoffe behalten ihre Zähigkeit und Festigkeit bei kryogenen Temperaturen im Weltraum?
- Die Fähigkeit eines Materials, seine Festigkeit und Zähigkeit bei kryogenen Temperaturen beizubehalten, ist besonders wichtig für Mechanismen und Einsatzsysteme in Weltraumteleskopen und -sonden, bei denen die Integrität der Teile nicht beeinträchtigt werden darf.
- Torlon PAI, Vespel PI, CryoDyn CT-200 PEEK und PCTFE haben bewiesen, dass sie ihre strukturelle Festigkeit und Duktilität auch bei kryogenen Temperaturen beibehalten, die viele Metalle zerbrechen können.
Sind Daten zu kryogenen Eigenschaften von Kunststoffen verfügbar?
- Ein wichtiger Grund für die Wahl von Torlon PAI, PCTFE und PEEK für Komponenten von Raumfahrzeugen ist ihre Fähigkeit, die mechanischen Eigenschaften in kryogenen Umgebungen zu erhalten.
- Kryotestdaten zeigen, dass alle drei Polymere unter diesen Bedingungen ein hohes Maß an Zugeigenschaften und mechanischer Festigkeit beibehalten.
- Die Duktilität von Torlon PAI, PCTFE und PEEK bei kryogenen Temperaturen macht sie zu erstklassigen Kandidaten für Anwendungen, bei denen die Gefahr eines Bruchs durch versehentliche Stöße oder hohe physikalische Punktlasten besteht.
Was sind die typischen Anwendungen für Hochleistungskunststoffe in Raumfahrzeugen?
- Sektorengetriebe aus hochfestem, formstabilem Torlon 7130 setzen Satelliten-Solaranlagen zuverlässig ein.
- Isolatoren und Isolierkörper aus Torlon 5030 und PEEK dienen als hervorragende thermische und elektrische Isolatoren und Isolierkörper.
- Befestigungselemente aus Torlon PAI und PEEK sichern eine Vielzahl von Geräten, darunter Antennen, Fenster, Flüssigkeits- und Gasleitungssysteme und Isolierplatten.
- Befestigungselemente und Schrauben aus Torlon 4203 sind resistent gegen Strahlungsschäden, haben eine hohe Festigkeit und sind wesentlich leichter als Metallteile.
- Satellitenkomponenten aus Ultem PEI bieten hohe Festigkeit und EMI/RFI-Abschirmung.
- Verschleißzwischenlagen aus PEEK und Torlon PAI erhalten die Funktionalität von Positionierungssystemen für Satellitenantriebe in der Umlaufbahn.
- Dichtungen für Oxidationsmittelventile und Buchsen in Raketentriebwerken verlassen sich auf Torlon 4301, wenn es um chemische Beständigkeit, Festigkeit und Stabilität in Komponenten geht, die extremen Vibrationen bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Hochleistungskunststoffe unterstützen technologische Innovationen
Die kritischen Anforderungen an langfristige Zuverlässigkeit, kompromisslose Sicherheit und geringes Gewicht haben Hochleistungskunststoffe zu den Materialien der Wahl für eine Vielzahl von Anwendungen in der Raumfahrtausrüstung gemacht.
Unternehmen, die sich auf fortschrittliche Polymere spezialisiert haben, arbeiten eng mit Ingenieuren an innovativen Anwendungen, die die Vorteile dieser Materialien nutzen. Drake Plastics zum Beispiel arbeitet mit führenden Raumfahrt-OEMs zusammen, um Komponenten der nächsten Generation aus Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI, Vespel PI, Ryton R-4 PPS und anderen Polymeren zu entwickeln. Das Unternehmen extrudiert maschinell bearbeitbare Halbzeuge, entwickelt kundenspezifische Formgebungen und produziert spanend bearbeitete und spritzgegossene Teile aus diesen Hochleistungskunststoffen für verschiedene Industriezweige. Die Polymere haben ihre Zuverlässigkeit in der Luft- und Raumfahrt seit Jahrzehnten unter Beweis gestellt, und ihre Akzeptanz nimmt weiter zu, da die Raumfahrtindustrie wächst und neue Wege in der Technologie beschreitet.
FAQ's über Hochleistungskunststoffe in der Raumfahrtindustrie
Warum ist Ausgasung ein Problem für Raumfahrtanwendungen?
- Einige Polymere neigen zur Ausgasung, die unter Vakuumbedingungen auftreten kann. Dabei entstehen Kondensate, die die Leistung kritischer Systeme, optischer Elemente und Oberflächen von Sonnenkollektoren beeinträchtigen.
- Auf der Grundlage von Tests hat die NASA bestimmte Grade von Torlon PAI und PEEK in ihre Liste der akzeptablen ausgasungsarmen Materialien für Raumfahrzeugkomponenten aufgenommen.
Für welche Arten von Anwendungen werden Kunststoffe in kryogener Qualität benötigt?
- Bei Reparaturen und Wartungsarbeiten außerhalb des Flugzeugs können die Komponenten in den engen Arbeitsräumen bei Schwerelosigkeit und extremer Kälte beschädigt werden.
- Kunststoffe, die bei mechanischer Belastung nicht versagen, sind auch für Andock- und Ausbringungsgeräte im Weltraum wichtig.
- Flüssigtreibstoffsysteme erfordern Materialien mit robusten Dichtungseigenschaften bei kryogenen Temperaturen.
Was sind Beispiele für Polymere, die bei kryogenen Temperaturen gut funktionieren?
- Torlon PAI, PEEK und PEEK in kryogener Qualität behalten alle ihre hohe Festigkeit und Duktilität unter kryogenen Bedingungen bei.
- PCTFE und kryogenes PEEK Polymer eignen sich besonders gut für kryogene Dichtungsanwendungen für Flüssiggastreibstoffe und Kühlsysteme.
Welche Vorteile bietet die Auswahl von Hochleistungskunststoffen, die sowohl maschinell bearbeitet als auch spritzgegossen werden können?
- Die Anwendungen beginnen oft als spanend bearbeitete Teile, wenn die Produktionsvolumina gering sind, und gehen zum Spritzgießen über, wenn die Stückzahlen die Kosten für die Werkzeuge rechtfertigen.
- Die Möglichkeit, den Übergang in demselben Material zu vollziehen, kann den Zeit- und Kostenaufwand für die Validierung der Materialspezifikation für die spritzgegossenen Komponenten eliminieren oder reduzieren.