I requisiti di affidabilità a lungo termine, sicurezza senza compromessi e leggerezza hanno reso le materie plastiche ad alte prestazioni i materiali preferiti per una moltitudine di applicazioni nelle apparecchiature dei veicoli spaziali. I componenti lavorati o stampati a iniezione con Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI, Vespel PI, Ryton R-4 PPS e altri polimeri avanzati hanno dimostrato le loro capacità per decenni e la loro accettazione continua a crescere parallelamente all’industria dei veicoli spaziali.
Quali proprietà delle materie plastiche sono importanti per le applicazioni dei veicoli spaziali?
Le materie plastiche ad alte prestazioni offrono proprietà che risolvono una serie di complesse sfide ingegneristiche e di specifiche dei materiali legati alle applicazioni dei veicoli spaziali:
- Duttilità e tenacità a temperature criogeniche
- Mantenimento della resistenza in prossimità delle alte temperature dei sistemi di propulsione
- Integrità strutturale per resistere a forze vibrazionali estreme, dal lancio del razzo fino alle varie fasi di volo.
- Resistenza ai propellenti solidi e liquidi, ai fluidi idraulici e ad altri prodotti chimici.
- Conformità agli standard di sicurezza del settore per la generazione di fiamme e fumi
- Basso vuoto di degassamento per evitare l’eccessivo deposito di condensati chimici che possono contaminare i componenti ottici e i sistemi di precisione.
- Mantenimento della resistenza e della duttilità dopo un’esposizione alle radiazioni a lungo termine
Quali materie plastiche ad alte prestazioni hanno le proprietà necessarie per le applicazioni dei veicoli spaziali?
Diversi polimeri avanzati hanno una storia consolidata nei sistemi strutturali, elettrici, fluidi e meccanici dei veicoli spaziali. Le differenze tra le loro proprietà e i livelli di tolleranza agli agenti chimici e alle radiazioni consentono agli ingegneri di specificare il materiale ottimale per ogni componente nel suo ambiente operativo.
Le seguenti materie plastiche ad alte prestazioni hanno profili di proprietà unici che si adattano bene ai requisiti di applicazioni specifiche:
- Torlon PAI(poliammide-imide), Vespel PI (poliammide) e Ultem PEI(polieter-imide) sono polimeri imidici che mantengono la resistenza a livelli criogenici e ad alte temperature estreme e resistono all’esposizione alle radiazioni.
- I polimeri chetonici eccellono per la resistenza chimica. Tra questi ci sono il PEEK (polietereterchetone), il PEK (polieterchetone) e i PEEK XT e HT PEK per alte temperature.
- Il PPS Ryton R-4, un polifenilsolfone con un contenuto di fibra di vetro del 40%, è un materiale ad alta resistenza con un’eccellente resistenza chimica. Non ha solventi noti al di sotto dei 200°C.
- Il PCTFE, un fluoropolimero, si comporta bene come materiale per le guarnizioni criogeniche nei sistemi LOX, LH2 e altri gas liquefatti. Ha anche un elevato LOI (indice di limitazione dell’ossigeno) per soddisfare i severi requisiti di infiammabilità.
- Tutti sono conformi agli standard di infiammabilità e generazione di fumo del settore relativi alle varie applicazioni.
Nota tecnica: Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI e altri polimeri ad alte prestazioni sono disponibili in Grades con fibre di vetro o di carbonio che aumentano la resistenza e con lubrificanti solidi che migliorano le proprietà dei cuscinetti e dell’usura.
Quali materie plastiche resistono all'esposizione alle radiazioni nello spazio?
- L’esposizione costante alle radiazioni nello spazio può degradare alcuni polimeri. Molti si incrinano in tempi relativamente brevi.
- Torlon PAI, PEEK e Ultem PEI mantengono le proprietà in modo eccezionale anche in presenza di livelli di esposizione alle radiazioni costantemente elevati.
- La resistenza alle radiazioni di questi polimeri è stata confermata da un rapporto di prova dell’American Composites Manufacturing Learning Center, riassunto di seguito.
- Il Torlon 5030 PAI, un polimero rinforzato con il 30% di vetro ad alta resistenza, è stato estruso in forme e lavorato in pezzi da Drake Plastics come campioni di prova. I pezzi di Torlon 5030 hanno mantenuto il livello di proprietà meccaniche richiesto per superare in modo soddisfacente i test a109 rad , il livello più alto di esposizione al test.
- Il PEEK Victrex, un altro polimero che Drake’s Plastics estrude in forme di stock ad alte prestazioni e parti lavorate e stampate, è passato anche a 109
- Parti lavorate da 30% di vetro rinforzato Ultem 2300 PEI hanno dimostrato un’impressionante conservazione delle proprietà anche a108
Perché il basso livello di degassamento è importante per le materie plastiche nell'industria dei veicoli spaziali?
- Alcune materie plastiche sono soggette a degassare sotto vuoto e possono rilasciare quantità eccessive di sostanze volatili.
- Questi volatili possono contaminare i sistemi critici dei veicoli spaziali e offuscare gli elementi ottici e gli array solari, compromettendone l’efficacia.
Quali materie plastiche presentano un basso livello di degassamento da vuoto?
- Un vantaggio di Torlon PAI e PEEK per le applicazioni nei veicoli spaziali è la riduzione delle preoccupazioni relative al degassamento nel vuoto, comune ad alcune materie plastiche nell’ambiente di vuoto a gravità zero.
- I test condotti per la NASA hanno confermato che alcuni Grades di Torlon PAI e PEEK si qualificano come materiali a bassa emissione di gas. Ciò si basa su livelli di TML (Total Mass Loss) inferiori all’1% e su un CVCM (Collected Volatile Condensable Material) inferiore allo 0,1%.
- La NASA include gli specifici Grades di Torlon PAI e PEEK che sono stati testati, e i dettagli dei risultati dei test, nell’elenco dei materiali a basso degassamento che l’agenzia mantiene per le applicazioni nei veicoli spaziali.
Quali sono le materie plastiche che mantengono la tenacità e la resistenza a temperature criogeniche nello spazio?
- La capacità di un materiale di mantenere resistenza e tenacità a temperature criogeniche è particolarmente importante per i meccanismi e i sistemi di dispiegamento dei telescopi e delle sonde per lo spazio profondo, dove l’integrità delle parti non può essere compromessa.
- Torlon PAI, Vespel PI, CryoDyn CT-200 PEEK e PCTFE hanno dimostrato di mantenere la resistenza strutturale e la duttilità a temperature criogeniche che possono frantumare molti metalli.
Sono disponibili dati sulle proprietà criogeniche delle materie plastiche?
- Uno dei fattori principali alla base della scelta di Torlon PAI, PCTFE e PEEK per i componenti dei veicoli spaziali è la loro capacità di mantenere le proprietà meccaniche in ambienti criogenici.
- I dati dei test criogenici dimostrano che tutti e tre i polimeri mantengono un alto livello di proprietà di trazione e resistenza meccanica in queste condizioni.
- La duttilità di Torlon PAI, PCTFE e PEEK a temperature criogeniche li rende i candidati migliori per le applicazioni che possono essere a rischio di rottura a causa di impatti accidentali o di elevati carichi fisici puntuali.
Quali sono le applicazioni tipiche delle materie plastiche ad alte prestazioni nei veicoli spaziali?
- Gli ingranaggi a settori in Torlon 7130 ad alta resistenza e stabilità dimensionale distribuiscono in modo affidabile gli array solari dei satelliti.
- Gli isolanti e gli isolatori in Torlon 5030 e PEEK sono eccellenti isolanti e isolatori termici ed elettrici.
- La ferramenta di montaggio in Torlon PAI e PEEK assicura una varietà di apparecchi, tra cui antenne, finestre, sistemi di tubature per fluidi e gas e pannelli isolanti.
- Gli elementi di fissaggio e le viti in Torlon 4203 resistono alla degradazione da radiazioni, mantengono un’elevata resistenza e sono molto più leggeri delle parti in metallo.
- I componenti satellitari in Ultem PEI garantiscono un’elevata resistenza e una schermatura EMI/RFI.
- Gli spessori antiusura in Grades di PEEK e Torlon PAI mantengono la funzionalità dei sistemi di posizionamento per la propulsione satellitare in orbita.
- Le guarnizioni delle valvole di ossidazione e le boccole dei motori a razzo si affidano a Torlon 4301 per la resistenza chimica, la forza e la stabilità dei componenti sottoposti a vibrazioni estreme ad alte temperature.
Le materie plastiche ad alte prestazioni supportano le innovazioni tecnologiche
I requisiti critici di affidabilità a lungo termine, sicurezza senza compromessi e leggerezza hanno reso le plastiche ad alte prestazioni i materiali preferiti per una moltitudine di applicazioni nelle apparecchiature dei veicoli spaziali.
Le aziende specializzate in polimeri avanzati lavorano a stretto contatto con gli ingegneri su applicazioni innovative che sfruttano i vantaggi di questi materiali. Drake Plastics, ad esempio, collabora con i principali OEM di veicoli spaziali per sviluppare componenti di nuova generazione in Torlon PAI, PEEK, Ultem PEI, Vespel PI, Ryton R-4 PPS e altri polimeri. L’azienda estrude forme lavorabili, sviluppa configurazioni di forme personalizzate e produce parti lavorate e stampate a iniezione in queste plastiche ad alte prestazioni per diversi settori dell’industria. I polimeri hanno dimostrato la loro affidabilità nelle applicazioni aerospaziali per decenni e la loro accettazione continua ad espandersi man mano che l’industria dei veicoli spaziali cresce e apre nuovi orizzonti tecnologici.
Domande frequenti sulle materie plastiche ad alte prestazioni nell'industria dei veicoli spaziali
Perché il degassamento è un problema per le applicazioni dei veicoli spaziali?
- Alcuni polimeri sono inclini al degassamento che può verificarsi in condizioni di vuoto, creando condensati che compromettono le prestazioni di sistemi critici, elementi ottici e superfici dei collettori solari.
- Sulla base dei test effettuati, la NASA ha inserito alcuni Grades di Torlon PAI e PEEK nell'elenco dei materiali a basso degassamento accettabili per i componenti dei veicoli spaziali.
Quali tipi di applicazioni richiedono materie plastiche di grado criogenico?
- Le attività di riparazione e manutenzione extraveicolare possono esporre i componenti a possibili danni, dati gli spazi di lavoro ristretti a gravità zero e al freddo estremo.
- Le materie plastiche che resistono ai cedimenti dovuti ai carichi meccanici sono importanti anche per gli apparati di attracco e dispiegamento che operano nello spazio profondo.
- I sistemi a propellente liquido richiedono materiali con solide proprietà di tenuta a temperature criogeniche.
Quali sono gli esempi di polimeri che si comportano bene a temperature criogeniche?
- Torlon PAI, PEEK e PEEK criogenico mantengono tutti un'elevata resistenza e duttilità in condizioni criogeniche.
- Il PCTFE e il polimero PEEK criogenico sono particolarmente adatti alle applicazioni di tenuta criogenica per i sistemi di raffreddamento e di propellente a gas liquefatto.
Quali sono i vantaggi di scegliere materie plastiche ad alte prestazioni che possono essere lavorate e stampate a iniezione?
- Spesso le applicazioni iniziano come parti lavorate quando i volumi di produzione sono bassi e passano allo stampaggio a iniezione quando i volumi unitari giustificano il costo degli utensili.
- La possibilità di effettuare la transizione nello stesso materiale può eliminare o ridurre i tempi e i costi di convalida delle specifiche del materiale per i componenti stampati a iniezione.