Подскажите клей для применения в вакууме

[Рис Дмитрий]

Уважаемые химики!
В процессе работы над проектом возникла идея соединить некоторые деталей космического аппарата не механически, а с помощью клеевого соединения, т.к. разборность не требуется (запустили КА и забыли). Но есть ряд требований, которые поставили в тупик (беглый поиск в интернете не помог):
соединение производится не на земле, а в космосе, поэтому:
1) соединение производится не человеком, а простой автоматикой (прижимание склеиваемых деталей);
2) клей должен быть заранее нанесён на одну или обе склеиваемые поверхности при подготовке КА на земле, т.е. он должен перенести без изменений сначала воздушную среду (чистая комната), а затем - вакуум (с перепадом температур от -40 до +50 градусов Цельсия), но сохранить свои клеевые способности;
3) клей не должен выделять летучих соединений в глубоком вакууме ни до склеивания, ни после. Это принципиальный пункт;
4) при склеивании допустимо выделение тепла, но отверждение не должно требовать нагрева (дефицит электроэнергии и места под нагреватель);
5) клей должен работать в условиях открытого космоса: глубокий вакуум, перепад температур (-70 +80 градусов Цельсия), ультрафиолет.

Дополнительная информация:
1) время отверждения не принципиально (вплоть до нескольких дней);
2) механические нагрузки на детали низкие;
3) площадь склеиваемой поверхности маленькая (несколько кв. см);
4) конкретный материал деталей ещё не выбран, но, скорее всего, это будет либо титан, либо керамика.

Прошу помощи в подборе клея для описанных условий, хотя бы на уровне "обратите внимание вот на такой тип клея...".
Заранее благодарю!

[avor]

Пункт 3, если ему следовать абсолютно и бескомпромиссно просто убьет любую попытку что-то сделать.

А так надо смотреть в сторону двух компонентных композиций на основе полимеров. Лучше и проще всего мне кажется полиуретановые композиции на основе полиэфиров и полизоцианатов.

Ну, а дальше можно помыкаться вокруг Эпоксидов, Полиэфиров(имеются ввиду полиэфирные смолы. Ну возможно цианакрилатов и акрилатов. Но нужно помнить, что среди всего разнообразия надо выбирать ту систему в которую входит не мономер, а олигомер или полимер, который в процессе склеивание активируется и образует еще более высокомолекулярный клеевой шов.

[Рис Дмитрий]

Благодарю за ответ!

Разумеется, пункт 3 является обсуждаемым пунктом... Догадываюсь, что следовать ему абсолютно не получится, да и незачем, т.к. в вакууме испаряется всё что угодно, даже металлы. Но и слишком много газов бы не хотелось, т.к. склеиваемая поверхность будет располагаться в непосредственной близости к оптическим поверхностям, а в космосе эти газы не сдуть. Наоборот, они постепенно осядут на поверхность из-за электризации. И вот это меня слегка пугает...

Вопрос вдогонку касательно эпоксидных составов:
- смолу и отвердитель нужно именно смешивать (перемешивать до равномерной консистенции) или можно на одну поверхность нанести смолу, на другую - отвердитель, и прижать их друг к другу? Достаточно этого будет для отверждения?
- как поведут себя эти компоненты, после помещения в глубокий вакуум? Я имею в виду по-отдельности, пока КА выходит на орбиту. Т.е. можно ли ими склеить детали в вакууме? Или это уже вопросы к производителю конкретного состава?

[Sovetnik]

... а в космосе эти газы не сдуть. Наоборот, они постепенно осядут на поверхность из-за электризации.

Вот это непонятно.
Если в космическом вакуум что-то испарилось в виде молекул пара (газа), то объемная концентрация их будет ничтожна, и обратно, на какую-то другую поверхность, никакие силы не смогут заставить его сконденсироваться.
Электризоваться может пыль, но не газ.

[Рис Дмитрий]

Объёмная концентрация будет мала, согласен, но и оптические поверхности необходимо держать предельно чистыми. У любого КА есть своя атмосфера из-за того, что всегда что-нибудь да испарится, отслоится, отлетит. Это не всегда плохо, но иногда бывает катастрофично. Особенно, когда речь идёт о частицах.

Про электризацию... я не правильно выразился. Отлетевшая частица или испарение чего-нибудь в виде микрокапель (не газ, а именно капли, частицы) может попасть на оптическую поверхность, после чего как раз ничто не заставить её покинуть эту поверхность. А держаться она может за счёт чего-угодно (поверхностное натяжение, адгезия к поверхности или ещё что...), т.к. поверхности чистые и гладкие (линза, зеркало).

Да и есть общие требования к космической технике, в которые входит обязательная дегазация КА перед пуском. Следовательно, клей должен выдержать эту процедуру (выдерживание КА в глубоком вакууме с повышенной температурой), но остаться клеем.

В интернете обычно даются сведения о клеях (даже тех, которые используются в вакууме) лишь с точки зрения "приклеил на земле - запустил в космос". А "нанёс на земле - запустил в космос и приклеил там" пока не нашёл. Понимаю, тема сильно специфичная, но, возможно, кто-нибудь сможет направить на нужный путь. По совету Avor посмотрю эпоксидные составы.

[avor]

Вопрос вдогонку касательно эпоксидных составов:
- смолу и отвердитель нужно именно смешивать (перемешивать до равномерной консистенции) или можно на одну поверхность нанести смолу, на другую - отвердитель, и прижать их друг к другу? Достаточно этого будет для отверждения?
- как поведут себя эти компоненты, после помещения в глубокий вакуум? Я имею в виду по-отдельности, пока КА выходит на орбиту. Т.е. можно ли ими склеить детали в вакууме? Или это уже вопросы к производителю конкретного состава?

Тут в этом то и проблема. Эпоксидная смола это олигомер и достаточно высокомолекулярное вязкое и хорошо адгезивное вещество, а вот ее отвердители в большинстве своем более низкомолекулярные и не очень адгезивные вещества. Однако, это не значит, что таковых невозможно сделать.

Еще сложнее обстоят дела с полиакрилатами там со вторыми компонентами совсем туго, они почти все низкомолекулярные. Но и там можно попытаться. Если использовать ингибиторы и ускорители с инициаторами полимеризации. Например на одну поверхность наносится инициатор с ингибитором(и предполимер) а на другую катализатор без инициатора(и предполимер) при контакте должна начатся полимеризация. По такому же принципу можно заставить работать полиэфирные композиции.

Я это к чему написал, что готовых композиций для ваших условий вы скорее всего не найдете. Понадобится НИР. И я ведь не случайно написал первыми полиуретаны, они по своим исходным свойствам ближе всего подходят к вашим требованиям.

По эпоксидкам лучше всего пообщатся с НИИ Пластполимер СПб и специалистами ХИМЭКС ЛТД, которые родом от туда же.

По поводу полиакрилатов в Дзержинский нии полимеров Каргина

По поводу полиэфирных смол наверное что-то подскажет участник нашего форума Smol

По поводу полиуретановых композиций участник форума AF

Ну и еще есть один запасной вариант это полисилоксановые композиции по их поводу лучше всего общаться с НИИСК СПб

[Polychemist]

Напишите Smol-у, или сам даст эпоксидку и т.п., или перенаправит.

[Sovetnik]

Про электризацию... я не правильно выразился. Отлетевшая частица или испарение чего-нибудь в виде микрокапель (не газ, а именно капли, частицы) может попасть на оптическую поверхность, после чего как раз ничто не заставить её покинуть эту поверхность. А держаться она может за счёт чего-угодно (поверхностное натяжение, адгезия к поверхности или ещё что...), т.к. поверхности чистые и гладкие (линза, зеркало).

С этим все понятно, только это не испарение, в классическом смысле, а отрыв микрочастицы. То, что пыль в космических аппаратах - большая проблема - известно.
А почему склеивание, а не механическое зацепление, например типа застежки - "липучки" как на обуви?
Или на магнитах (неодимовых)?

[Рис Дмитрий]

To avor:
Благодарю за совет! Обязательно свяжусь с рекомендованными людьми! Надеюсь, проблема окажется решаемой.

To Polychemist:
Спасибо! Свяжусь с ним!

To Sovetnik:
Дело в том, что есть серьёзные ограничения по массе и габаритам всех элементов КА. Механический крепёж выполнить прямо на борту - совсем не простая задача. Кроме этого, мне требуется высокая точность взаимного позиционирования двух соединяемых поверхностей. Т.е. после стыковки соединённые элементы должны быть как монолит. Произвести такой крепёж на земле - проблема не большая (хотя и есть), но вот сделать это на борту... просто нечем. Я не могу туда отправить гаечный ключ и манипулятор. Тем более, что это будет сделано лишь один раз. Да и крепёж должен быть надёжным - если отвалится, то аппарату конец, а починить невозможно. Применение магнитов является очень-очень нерекомендованным, т.к. их придётся магнитно экранировать, чтобы не было взаимодействия с магнитным полем Земли. Да и не лёгкие они. А самое отвратительное - плохо переносят космические условия: окисляются, подвергаются радиационным изменениям. Для надёжного соединения потребуются приличного размера магниты, а у меня должны соединяться миниатюрные элементы.
Вот такие пироги с котятами. Вывод: сварка или клей. Сварку сделать не так и просто, даже там, в космосе. Надеюсь, что клей удастся найти, подобрать, изготовить...

[Sovetnik]

А самое отвратительное - плохо переносят космические условия: окисляются, подвергаются радиационным изменениям.

Вывод: сварка или клей.

По поводу окисления магнитов - это что-то непонятное. Там что - кислородная атмосфера? Тогда клей будет и подавно окисляться, и подвергаться радиационным изменениям еще более интенсивно, чем магниты.

Вы упомянули сварку, в этой связи - посмотрите вариант пайки.
То есть, на соединяемые поверхности наносится тонкий слой припоя (паяльной пасты) с низкой температурой плавления (100 - 200 градусов) с последующим нагревом при сжатии.

[ximi]

Органические клеи отпадают. От УФ деградируют ... а мономеры в вакууме быстро улетают-сублимируются.

В космосе вакуум глубокий 10−9 мм.рт.ст. и ниже.

Я бы смотрел в сторону пайки на основе сплавов индия и галлия ... у них адгезия неплохая.
Или фосфатные стекла.

[ximi]

http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=24

[pinkylee]

модные ныне клик-композиции рассматриваете? на одну поверхность наносится полимер с высокой концентрацией нитрильных групп, на другой - с азидными, при контакте полимеры химически взаимодействуют друг с другом. из доп. условий: полимеры должны быть уже прочно сцеплены с подложкой, но иметь остаточную пластичность (или скорее упругость) для равномерного контакта по площади соединения.

[Polychemist]

Да, ещё вопрос - а при какой температуре будет происходить соединение тех деталей?

[Smol]

Сделать такой клей, наверное, можно (например, микрокапсулировав отвердитель в эпоксидке) с тем, чтобы при сжатии микрокапсулы разрушились и произошла химическая реакция.
На этом принципе ремонтные эпоксидные стержни для холодной сварки металлов делаются - массу размял в руках, нанес на поверхности, прижал - оно и застыло.
И условия вакуума для эпоксидных композиций не проблема, если в них нет сильно летучих компонентов, то выдержат.
И срок службы эпоксидных материалов в условиях открытого космоса уже исчисляется десятком-другим лет...
Но вот стоимость такой разработки немаленькая (а готовая такая композиция если и есть - то в ВИАМе или в НПО "Композит" (Подлипки), поэтому если у топикстартера есть сотня-другая миллионов рублей на НИР и ОКР - что-то может и будет, ну а если нет
Вы же понимаете, что требования к такому клею высокие, кроме того - нужны испытания в условиях, имитирующих космические (то есть - стенд нужен и методики), а потребность в клее исчисляется несколькими килограммами в год, то есть - эта разработка (если ее делать за свой счет) - нескоро окупится, если вообще...

У нас в России подобные проблемы так и решаются - дают профильному НИИ денег на решение конкретной проблемы, тот и работает, не знаю, как это принято делать у Вас в Германии...

[Рис Дмитрий]

To Sovetnik:
Технология предполагается для низкой орбиты, а там есть остаточная атмосфера. Особенность этой атмосферы в том, что она довольно агрессивная (атомарный кислород). На очень высоких орбитах такой беды нет - там просто вакуум, ну и немножко водорода может залететь. А вот на низкой...
Как я и писал в начале, нагрев осуществить сложно из-за отсутствия места под нагреватель и электроэнергии на нагрев. 200 градусов - не так и мало. Для процесса, который будет выполняться однократно, это - слишком большая роскошь.

To Polychemist:
Предполагается, что температура будет в районе от +10 до +30 градусов Цельсия, когда аппарат будет на солнечной стороне. Точнее сказать не могу, т.к. тепловой модели нет.

To Smol:
Интересная идея с микрокапсулированием. Но куда будет деваться материал самих капсул? Ведь он останется между склеиваемыми поверхностями...
Про НИРы и НИОКРы понятно, но, полагаю, для этого нужно мне будет рассмотреть более простые варианты, т.к. делать НИР (у нас тут - аналогично), когда не уверен в идее - рискованно. Когда я задавал вопрос, то полагал, что будет несколько проще.

To pinkylee:
Интересная идея... гляну. Я пока рассматриваю всё, что потенциально можно применить, чтобы не делать механическую соединительную систему, т.к. в ней будет просто уйма проблем... Спасибо за наводку.

To ximi:
Пайка сама по себе - интересный процесс, но требует нагрева, а это - проблема. Дело в том, что часть соединяемых поверхностей будет вне КА, подвод к ним тепла - задача сложная. Внутри КА это сделать хоть и накладно, но можно, а вот снаружи...

[Polychemist]

Вопрос вдогонку касательно эпоксидных составов:
- смолу и отвердитель нужно именно смешивать (перемешивать до равномерной консистенции) или можно на одну поверхность нанести смолу, на другую - отвердитель, и прижать их друг к другу? Достаточно этого будет для отверждения?

Если на одну поверхности нанести смолу (сушёную в вакууме), на другую - высокомолекулярный отвердитель (куб ПЭПА после отгонки в вакууме?), нежно прижать и немного растереть смещением (если манипулятор сможет), то почему бы и нет? Проверка на Земле будет явно не сложной. Можно даже просто взять двухкомпонентный быстротвердеющий состав из супермаркета, для начала.

[antabu]

Пайка бывает холодной. По-другому - металлические клеи (на основе галлия).

[FiKo]

Про проблему нагрева в космосе. А можно установить лупу с управлением?(ведь и склейку какой-то аппарат будет осуществлять?) и сконцентрировав лучи солнца делать пайку (200 градусов недолжно быть проблемой). Ну это так фантазии))

А про микрокапсулирование очень хорошая идея, ее применяют в самозалечивающихся лакокрасочных покрытиях. Я лет 6 назад статью переводил по этой теме (постараюсь найти).
Есть клеи для резьбовых соединений, они отвердевают при отсутствии кислорода. Возможно с ними вам будет тоже перспективно поработать

[Рис Дмитрий]

To Polychemist:
Благодарю за ответ - обнадёжили! Растереть, думаю, возможность будет. Т.е. пока что клей на основе эпоксидных смол - наиболее перспективное направление... Это уже хорошо.

To FiKo:
К сожалению, устраивать нагрев с помощью концентрации солнечной энергии - ещё более сложная задача, чем применить контактный электронагреватель.
А вот микрокапсулирование - действительно интересная мысль... Про анаэробные резьбовые клея я как-то смотрел, но так и не понял, они начинают работать от вакуумирования или от сжатия в вакууме? Если первое, то мне не подходит, а вот если второе, то самый раз!