Brevet FR2659343A1 — publié le 19910913

La présente invention concerne un matériau pour emploi dans des pièces d'engins spatiaux, qui empêche la dégradation des surfaces provoquée par l'interaction avec l'oxygène. Le vol réussi de la Navette Spatiale dans une orbite basse de la terre (altitude d'environ 100 à 1000 km) a nettement contribué aux technologies florissantes des engins spatiaux actuels, dont la construction de stations spatiales, dans l'orbite basse de la terre Un tel développement technologique a néanmoins à affronter des problèmes difficiles: comme cela est discuté dans J Smacecraft and Rockets, Vol 23 ( 1986), pages 501 à 511, un composant majeur de l'atmosphère à cette altitude (orbite basse de la terre) est l'atome d'oxygène Les atomes de l'oxygène, frappant les surfaces exposées à l'atmosphère de l'engin spatial navigant dans l'orbite, sont à l'origine d'une sévère dégradation des matériaux constituant les surfaces des pièces de l'engin. Plus spécialement, l'article N O 85-0415 ( 1985) de 23 rç Aero Sci Meet indique les résultats d'un test en vol effectué pour examiner la dégradation provoquée par l'interaction avec l'oxygène des matériaux utilisés dans les pièces de l'engin et a confirmé une dégradation, c'està-dire une perte de la couche superficielle, d'un matériau tel que le plastique armé de fibre, etc, dont le plastique armé de fibre de carbone, qu'on utilise traditionnellement dans la constitution des pièces des engins spatiaux Par conséquent, l'emploi de ces matériaux dans les engins spatiaux pendant une durée prolongée (de plusieurs mois à plusieurs décennies), en particulier dans les stations spatiales, qu'on met actuellement au point ou qu'on programme pour l'avenir, n'est pas faisable. L'étude précédente indique aussi que, au cours de quelques dizaines d'heures de vol d'essai, des matériaux ayant pour marque Kapton et Miller, qu'on emploie traditionnellement dans les panneaux solaires, subissent une perte de quelque 10 gm environ de la couche superficielle Là encore, cela est représentatif de l'emploi problématique des matériaux traditionnels dans les panneaux solaires devant être montés dans l'engin spatial destiné à un emploi prolongé en orbite. En outre, on aboutit aussi à la conclusion dans l'étude précédente que, comme conséquence de ces vols d'essai, des matériaux métalliques tels que l'argent et l'osmium subissent une sévère dégradation de la couche superficielle, dont la perte de cette couche. Ces matériaux, qu'on emploie couramment dans les fils mis à nu qui sont placés sur la partie d'interconnexion d'une batterie solaire installée dans un engin spatial, sont d'une utilisation peu probable dans les pièces mises à nu d'un engin destiné à un emploi prolongé en orbite. La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes exposés ci- dessus, en proposant un matériau résistant aux atomes d'oxygène pour emploi dans la construction de pièces d'engins spatiaux, tels que fils et panneaux à l'épreuve des atomes d'oxygène, qui empêche la dégradation des surfaces des pièces même si celles-ci sont exposées aux atomes d'oxygène de l'espace pendant une durée prolongée (plusieurs décennies). De manière à atteindre cet objet, le matériau de la présente invention est constitué d'un composé contenant les éléments du groupe I Vb, et une couche de protection (couche de résine) qui recouvre au moins une partie du matériau ci-dessus est appliquée, comme matériau structurel de l'engin spatial dont la résistance aux atomes d'oxygène est absolument nécessaire Ainsi, une structure qui tolèrera l'exposition aux atomes d'oxygène dans l'espace pendant une durée prolongée (de plusieurs mois à plusieurs décennies) sera matérialisée. Plus précisément, les matériaux pour engin spatial selon la présente invention empêchent la dégradation des surfaces de l'engin en utilisant la couche de résine contenant les éléments du groupe I Vb placés sur les matériaux de construction d'un engin spatial classique. Cette couche de résine, ayant comme caractéristique d'être extrêmement lisse, oxyde sa surface et produit la couche de protection qui se défend contre les atomes d'oxygène, lors de l'exposition à l'oxygène atomique Cette couche de protection empêche une nouvelle dégradation provoquée par l'interaction avec l'oxygène, et par conséquent évite une perte sévère de la couche superficielle. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe d'un mode de réalisation de la présente invention. La figure 2 représente les résultats de la mesure de l'épaisseur d'une couche en polymère de silicium avant et après exposition aux atomes d'oxygène. La figure 3 est une vue en coupe d'une batterie solaire dans laquelle la présente invention est utilisée Elle montre également une pale de batterie solaire montée à bord et la structure de la batterie solaire. La figure 4 est une vue en coupe d'autres parties pour lesquelles on utilise la présente invention. On procèdera maintenant à la description d'un mode de réalisation préféré de la présente invention S'agissant de la couche de résine (couche de protection) selon la présente invention, qui résiste aux atomes d'oxygène et contient un des éléments du groupe I Vb et par conséquent empêche la dégradation et la perte de la couche superficielle même lorsqu'elle est exposée directement aux atomes d'oxygène, on peut par exemple spécifier une couche de polymère de silicium qui répond, comme indiqué dans Denki Kaaaku, Vol 51, n 7 ( 1983) pages 554 à 559, à la formule générale suivante I: R 1 l I si -o S si - o l _ R 1 | R 2 ( 1) R 2 dans laquelle R 1 est un reste d'hydrocarbure et R 2 est l'hydrogène ou un reste d'hydrocarbure et N est un nombre entier positif au moins égal à 100. De plus, une couche de résine de substitution peut être constituée par un polymère du type dérivé paratriméthylé de polystyrène répondant, comme indiqué dans RECUEIL 79 1076 ( 1960), à la formule générale suivante II: i -" CH 2 - _(C Hs) _ n (I 1) dans laquelle M est un élément du groupe I Vb, tel que Si, Ge, Sn, Pb. et N est un nombre entier positif (n étant égal à 60 ou plus). Pour cette couche de résine de substitution, on peut utiliser soit une résine contenant un seul élément, soit une résine de copolymère renfermant plus de deux sortes d'éléments. Ces couches de résine en polymère, dont la caractéristique est d'être lisse, oxydent leurs surfaces pour produire la couche de protection qui se défend contre les atomes d'oxygène lors de l'exposition à l'oxygène atomique Cette couche de protection empêche alors la dégradation des matériaux et la perte de la couche superficielle. On expliquera un mode de réalisation de la présente invention, en liaison avec la vue en coupe de la figure 1; la figure l A représente un matériau utilisé dans une surface plane et la figure 1 B dans une surface incurvée. Dans la figure, la référence 1 représente un matériau utilisé dans la partie structurelle de l'engin spatial Comme cela est classique, on emploie dans cette pièce un matériau plastique armé de fibres, dont un matériau plastique armé de fibres de carbone La référence 2 représente une couche de résine (couche de protection) qui contient les éléments du groupe I Vb résistant aux atomes d'oxygène La surface de la partie structurelle 1 de l'engin spatial constituée de matériaux classiques est recouverte de la couche mentionnée ci-dessus, laquelle contenant le polymère suivant une épaisseur comprise entre 0,1 et 100 gm. Ainsi, le matériau destiné à être employé dans les parties de l'engin spatial selon la présente invention est constitué de la couche de résine contenant l'élément Ivb résistant aux atomes d'oxygène de façon à éviter la dégradation même dans le cas de l'exposition à l'oxygène atomique Cette couche de résine est placée sur le matériau classique, de sorte que la surface de la structure ne peut être victime de la détérioration 6 2659343 provoquée par l'atome d'oxygène Par conséquent, la structure constituée du matériau de la présente invention peut être employée pendant de longues durées (entre plusieurs mois et plusieurs décennies ou plus) dans l'environnement exposé à l'atome d'oxygène, ce qui était impossible dans le passé. On expliquera davantage un mode de réalisation de la présente invention en liaison avec la figure 2 Cependant, l'application de la présente invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation. Mode de réalisation N O l: Un polymère du type polysiloxane répond à la formule suivante pour une masse moléculaire moyenne de 000, o ph est un radical phényle. Ph HO Si -O H O (III) S HO SI-O H ph On dissout le polymère de silicium dans de l'anisole pour obtenir une solution ayant une concentration de 26 % Alors, on recouvre un panneau 4 en matériau plastique armé de fibres de carbone avec la solution et on le cuit sous atmosphère d'azote à une température de 150 'C pendant une duré de 30 minutes pour obtenir une couche 3 d'un polymère de silicium ayant une épaisseur d'environ ll gm. On expose alors un matériau échantillon ainsi revêtu de la couche 3 de polymère de silicium, lequel présente une surface lisse obtenue de la manière représentée ci-dessus, à des atomes d'oxygène en 7 2659343 utilisant un dispositif d'exposition à l'oxygène atomique. On fait passer un courant d'atomes d'oxygène irradié avec une sortie HF de 100 W, un vide de 52 Pa et un débit d'oxygène de 75 cm 3/mn dans les mêmes conditions, à savoir 1014-1015 atomes/cm, que dans le test en vol de la Navette Spatiale. On exécute l'exposition pendant une heure. Les figures 2 A et 2 B représentent les résultats de la mesure de l'épaisseur de la couche de polysiloxane avant et après l'exposition On effectue la mesure de l'épaisseur de la couche en mesurant la différence entre le niveau de la couche 3 de polysiloxane et celui d'une ouverture 5 ménagée en enlevant une partie de la couche 3 jusqu'à la mise à nu de la surface du panneau 4 Le résultat de la mesure, comme indiqué en figures 2 A et 2 B, montre qu'il y a une faible variation de l'épaisseur de la couche 3 avant et après l'exposition, et après une nouvelle exposition, on n'observe que peu de changement dans l'épaisseur. Mode de réalisation N O 2: On dissout un polymère ayant une masse moléculaire égale à 50 000 et répondant à la formule générale II, dans laquelle M est Ge, c'est-à- dire un élément métallique du groupe I Vb, de manière à produire une solution dans le xylène a une concentration de 20 %. On procède alors au revêtement du panneau 4 en matériau plastique armé de fibres de carbone avec ce solvant, en utilisant une filière On cuit alors le panneau revêtu 4 pendant 30 minutes en atmosphère d'azote, à une température de 120 'C, pour produire une couche de polymère 3 contenant Ge, l'épaisseur étant d'environ 10 9 m. On expose alors l'échantillon obtenu de la manière décrite ci-dessus à des atomes d'oxygène pendant environ 1 heure dans les mêmes conditions que dans l'expérience N O 1 On obtient une perte d'environ 1 % de l'épaisseur de la couche de polymère en procédant à la 8 2659343 mesure des épaisseurs avant et après exposition Une nouvelle exposition ne provoque aucune perte supplémentaire de l'épaisseur de la couche. mode de réalisation N O 3: On fait dissoudre un polymère répondant à la formule générale II, M étant Sn qui est l'un des éléments métalliques du groupe I Vb, afin d'obtenir une solution dans le toluène de 25 % de concentration. On recouvre alors le panneau 4 en matériau plastique armé de fibres de carbone avec cette solution, en utilisant la filière On cuit alors le panneau 4 ainsi revêtu pendant 30 minutes en atmosphère d'azote, à une température de 10 00 C, pour produire une couche de polymère 3 contenant Sn, l'épaisseur étant d'environ 10,5 gm. On exoose alors l'échantillon obtenu de la manière représentée ci-dessus à des atomes d'oxygène pendant environ 1 heure dans les mêmes conditions que dans l'expérience 1 On obtient une perte d'environ 1 % de l'épaisseur de la couche de polymère en procédant aux mesures de l'épaisseur avant et après exposition Une exposition prolongée ne provoque aucune perte nouvelle de l'épaisseur de la couche. On expliquera maintenant un exemple d'application de la présente invention. La figure 3 A représente une vue en coupe d'une batterie solaire et la figure 3 B une vue d'une pale de batterie solaire montée à bord Dans la figure, la référence 31 représente des cellules de la batterie solaire, la référence 32 un couvercle en verre qui coiffe l'extérieur des cellules 31, la référence 33 un agent adhésif qui réunit les cellules 31 au verre 32 du couvercle, la référence 34 un connecteur reliant les batteries solaires les unes aux autres Une multitude de cellules solaires 31 adhère au panneau 35 de batteries au moyen d'un agent adhésif 36 dans le but de les connecter et d'obtenir la pale 39 des batteries solaires La construction du panneau 35 de batteries solaires est la suivante: un matériau de construction 37 a en matériau classique pour panneau, résistant à l'interaction de l'oxygène, c'est-à-dire un matériau plastique armé de fibres de carbone ou analogue, est revêtu d'une pellicule isolante 37 b pour obtenir un stratifié On recouvre alors ce stratifié avec une couche isolante 38 de résine de polysiloxane qui résiste à l'interaction de l'oxygène En d'autres termes, le panneau solaire est obtenu en revêtant la surface du stratifié, constituée à la fois d'un matériau traditionnel 37 a employé pour les panneaux et de la pellicule isolante 37 b, avec la couche de polysiloxane répondant à la formule générale (I) indiquée ci-dessus L'épaisseur du polysiloxane est comprise entre 0,1 et 100 pm. Ce panneau solaire 35, comportant le matériau revêtu de la couche 38 de résine de polysiloxane résistant à l'interaction de l'oxygène, ne peut subir la dégradation de sa surface après une exposition directe aux atomes d'oxygène dans l'atmosphère de l'orbite, le panneau pouvant être l'objet d'un emploi prolongé (plusieurs mois à plusieurs décennies ou davantage) dans l'environnement exposé aux atomes d'oxygène. Dans cette application de l'invention, le polysiloxane qui présente une masse moléculaire moyenne de 100 000, comme décrit dans le mode de réalisation N O 1 et répond à la formule générale suivante (III) ph HO SiO _ l (LII) SO S-O_ HO ph a.a 2659343 dans laquelle Ph est un radical phényle et N un nombre entier positif, est dissous dans de l'anisole pour produire une solution ayant une concentration de 26 % Alors, avec cette solution, le stratifié du panneau 35 en matériau 37 a utilisé dans la pièce structurelle en matériau plastique armé de fibres de carbone et la pellicule isolante 37 b sont l'objet d'un revêtement Ce stratifié revêtude la solution décrite cidessus est alors soumis à une cuisson en atmosphère d'azote à une température de 150 C pendant une durée de 30 minutes, et est ensuite séché pour produire une couche isolante 38 de polysiloxane, dont l'épaisseur est d'environ 11 um. 11 jm. L'échantillon, c'est-à-dire le panneau solaire 35 revêtu de la couche isolante 38 en polysiloxane présente une surface lisse, qu'on obtient de la manière spécifiée ci-dessus, est exposé aux atomes d'oxygène en utilisant le dispositif d'exposition auxdits atomes Le flux d'atomes d'oxygène est employé pour l'exposition dans le but de simuler les conditions du test réel en vol de la Navette Spatiale, c'est-à-dire 1014 à 1015 atomes/cm sec. On observe peu de changement dans l'épaisseur de la couche isolante 38 en polysiloxane à l'issue de l'exposition. Les résultats précédents montrent que le panneau solaire constitué d'un matériau classique revêtu de la couche isolante en composé de résine de polysiloxane, empêche la dégradation des surfaces provoqués par les atomes d'oxygène et par conséquent est approprié à une exposition directe et à un emploi prolongé dans l'environnement à oxygène atomique de l'orbite. On expliquera ci-après une autre application de la présente invention. Les figures 4 A et 4 B sont des vues en coupe d'une autre application de l'invention Dans la figure, la référence 41 représente des cellules solaires placées sur la partie exposée de l'engin spatial La référence il 2659343 42 représente des fils exposés qu'on emploie dans la partie d'interconnexion qui relie les cellules solaires 41 La référence 43 représente une couche de résine contenant du silicium Si ou du germanium Ge, de l'étain Sn, et d'autres éléments du groupe I Vb qui ont comme caractéristique de résister aux atomes d'oxygène Les surfaces des fils exposés 42 sont recouvertes d'une couche de résine ayant une épaisseur de 0,1 à 100 gm. On exécute une expérience semblable à celle du mode de réalisation N O 1 en ce qui concerne la couche de résine Les résultats montrent qu'on observe un faible changement de l'épaisseur de la couche 43 de polymère de silicium après exposition Par conséquent, on confirme que la couche 43 empêche la dégradation provoquée par l'interaction avec l'oxygène Le résultat de l'expérience précédente montre que les surfaces exposées des fils traditionnels empêchent la dégradation provoquée par l'interaction avec l'oxygène lorsqu'il y a revêtement avec la couche 43 de polymère de silicium A partir de là, on conclut que la couche 43 de polymère de silicium qu'on a décrite ci-dessus convient comme matériau de revêtement employé dans les fils, y compris dans les câbles de puissance, qu'on utilisera dans l'environnement d'oxygène pendant une durée prolongée. L'utilisation de la présente invention n'est, naturellement, par limitée aux cas spécifiés dans les modes de réalisation et applications précédents On peut pratiquer diverses combinaisons selon la présente invention Par exemple, le germanium, l'étain et les autres éléments du groupe I Vb peuvent être des substituants du silicium. Dans le mémoire précédent, on a classé les matériaux suivant leurs noms: couche de résine, couche de protection, couche d'isolation et couche de polymère etc Cependant, on peut changer ces noms Par exemple, une couche peut être quelque chose de semblable à une couche ou de semblable à une pellicule, ou même être un point De plus, l'épaisseur de la couche peut 12 2659343 être irrégulière ou ressembler à une ondulation En outre, le revêtement en matériau peut être exécuté de façon à ne recouvrir qu'une partie de la surface, au lieu de sa totalité. Il est important de comprendre que la présente invention matérialise les matériaux qui empêchent la dégradation provoquée par l'interaction avec l'oxygène L'application de la présente invention aux matériaux traditionnels de construction utilisés dans les engins spatiaux permet leur emploi pendant une durée prolongée (de plusieurs mois à plusieurs décennies) dans l'environnement de l'orbite constitué d'oxygène. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Matériau pour l'emploi dans les pièces d'un engin spatial, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une matière ( 1, 37 a) pour la construction de pièces de l'engin; (b) un revêtement de protection ( 2, 38), constitué d'un polymère contenant l'un des éléments du groupe IV b de la classification périodique, choisi parmi Si, Ge, Sn et Pb, ce revêtement recouvrant du moins une partie de la surface de ladite matière. 2 Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement de protection est constitué d'un polymère du type polysiloxane répondant à la formule générale (I) R 1 R 20 si O R 2 R 20 Si-o R 2 R 1 n dans laquelle R 1 est un reste d'hydrocarbure est R 2 est l'hydrogène ou un reste d'hydrocarbure, et N est un nombre entier positif au moins égal à 100. 3 Procédé de fabrication d'un matériau selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on dissout dans de l'anisole ledit polymère du type polysiloxane, ce polymère ayant une masse moléculaire de 100 000, de façon à obtenir une solution d'une concentration de 26 %, que l'on recouvre is - au moins une partie de la surface de ladite matière d'une couche de cette solution, ayant une épaisseur de 0,1 à Jm, que l'on chauffe, sous atmosphère d'azote, à une température de 1500 C, pendant une durée de 30 minutes, et que l'on séche pour former ledit revêtement de protection. 4 Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement de protection est constitué d'un polymère du type dérivé paratriméthylé de polystyrène, répondant à la formule générale (II) le' I (Il) L (Cl Is) s dans laquelle M est un élément du groupe IV b de la classification périodique, choisi parmi Si, Ge, Sn et Pb, et n est un nombre entier positif au moins égal à 60. Procédé de fabrication d'un matériau selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on dissout dans du xylène un polymère de formule générale (II), dans laquelle M est Ge, ce polymère ayant une masse moléculaire de 50 000, de façon à obtenir une solution ayant une concentration de %, que l'on recouvre au moins une partie de la surface de ladite matière d'une couche de cette solution ayant une épaisseur de 0, 1 à 100 Lm, en utilisant une filière, et que l'on cuit, sous atmosphère d'azote, à une température de 'C, pendant 30 minutes, de manière à former ledit revêtement de protection. -1 e - 6 Procédé de fabrication d'un matériau selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on dissout, dans du toluène, un polymère de formule générale (II), dans laquelle M est Sn, ce polymère ayant une masse moléculaire de 60 000, de façon à produire une solution d'une concentration de 25 %, que l'on recouvre au moins une partie de la surface de ladite matière d'une couche de cette solution ayant une épaisseur de 0,1 à 100 Jm, en utilisant une filière, et que l'on cuit, sous atmosphère d'azote, à une température de 'C, pendant 30 minutes, de manière à former ledit revêtement de protection. 7 Matériau selon la revendication 1, carctérisé en ce que la matière ( 1) constitue une partie structurelle de l'engin spatial, ledit revêtement de protection étant constitué par au moins une couche dudit polymère formée sur la surface de cette partie structurelle. 8 Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière ( 37 a) entre dans la construction d'un panneau supportant des cellules solaires ( 31) et en ce que ledit revêtement de protection ( 38) est sous forme d'une couche isolante recouvrant la partie supérieure de ce panneau. 9 Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite matière ( 1) constitue un conducteur exposé ( 34) qui interconnecte des éléments de batteries solaires employées dans l'engin spatial et en ce que le revêtement de protection ( 2) est constitué par au moins une couche de résine recouvrant ledit conducteur ( 34).