Original title:
Bariérové vrstvy na bázi polyparaxylylenu pro aplikace v kosmickém výzkumu
Translated title:
Barier Coatings based on Polyparaxylylene for the Space Research Applications
Authors:
Horák, Jakub ; Zahoranová, Anna (referee) ; Mráček, Aleš (referee) ; Krčma, František (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2023
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická Abstract:
[cze][eng]
Titan, měsíc planety Saturn, je pro mnoho výzkumníků zajímavý pro svou hustou atmosféru, která je stejně jako jeho povrch složena převážně z dusíku (95 %) a metanu (5 %) se zastoupením různých uhlovodíků, a také protože díky podmínkám, které na Titanu panují, je považován za model Země v době před vznikem života. Aby bylo možné sledovat procesy, které probíhají na různých vesmírných tělesech, je třeba k nim úspěšně dopravit výzkumnou sondu a důkladně ochraňovat elektroniku, na kterou po dobu vzletu, letu a přistání působí mnohé nepříznivé vlivy jako tepelné výkyvy, různé záření či atmosféra vesmírného tělesa, jíž může být elektronika vystavena, dojde-li k narušení integrity pláště sondy (například u přistávacích modulů). Parylenové vrstvy se již ve vesmírném výzkumu využívají a cílem této práce je hlubší pochopení změn jejich mechanických, chemických a fyzikálních vlastností po jejich vystavení simulované atmosféře Titanu a UV záření. Byly připraveny dvě tloušťkové sady parylenových vrstev (2 a 6µm), které byly následně vystaveny působení vlivu simulované atmosféry se zastoupením metanu v plynné směsi 1, 3 a 5 % – za laboratorní a snížené teploty (chlazení pomocí kapalného dusíku). V každé sadě byly vždy vzorky duplikovány díky čemuž jsme získali dvě sady vzorků – na první působily pouze podmínky použité při simulaci atmosférických dějů na Titanu (reakční produkty a použitý výboj) a druhou sadu, která byla navíc následně degradována pomocí UV záření (možný vliv fotonů z okolí Titanu). Změny, které na vrstvách proběhly, byly charakterizovány pomocí FTIR a dalších analytických metod. Ukazuje se, že už při vystavení podmínkám simulované atmosféry dochází pro většinu vzorků vystaveným směsi s největším zastoupením metanu k fotooxidaci. Ta u některých vzorků vedla ke snížení pozdějšího vlivu použitého UV záření a jde patrně o důsledek zesíťování dané vrstvy parylenu. Pomocí AFM bylo potvrzeno, že reakce probíhající na vrstvách při simulaci atmosféry zvyšují jejich drsnost, a že po vystavení UV záření dochází u vrstev vystavených atmosféře Titanu za laboratorní i snížené teploty k silné degradaci povrchu. To se potvrdilo i při nanoindentaci, kde vrstvy bez vlivu sekundárního UV záření nevykazovaly zvýšení tvrdosti či pružnosti, zatímco po ozáření UV byly hodnoty téměř dvojnásobné a také jejich nejistoty se významně zvýšily. Silný degradační vliv použitého UV záření byl pozorován i pomocí SEM – tyto vzorky bylo téměř nemožné dobře změřit kvůli silnému nabíjení a in-situ viditelné deformaci použitým elektronovým svazkem. Součástí práce byla i příprava nanočástic stříbra a mědi pro jejich pozdější cílené zabudování do parylenových vrstev. K přípravě nanočástic bylo využito výboje v kapalinách. Zatímco nanočástice stříbra byly kovové a sférického tvaru, u částic na bázi mědi byla pozorována jehlicovitá struktura a výrazná aglomerace. Povrch měděných částic nebyl kovový, ale byl tvořen oxidy a hydroxidy. Přímou aplikaci nanočástic do vrstev se nepodařilo realizovat.
Titan, a moon of the planet Saturn, is interesting to many researchers for its thick atmosphere, which, like its surface, is composed mainly of nitrogen (95%) and methane (5%) with various hydrocarbons, and thanks to the conditions that prevail on Titan, it is considered to be a model of Earth in the time before the origin of life. In order to be able to monitor the processes that take place on various space bodies, it is necessary to successfully transfer a space probe to them and thoroughly protect the electronics, which is affected by many adverse effects during takeoff, flight and landing, like thermal fluctuations, various radiation or the atmosphere of the space body to which the electronics may be exposed if the integrity of the probe shell is compromised (for example, in the case of landing modules). Parylene layers are already used in space research, and the aim of this work is a deeper understanding of the changes of their mechanical, chemical and physical properties after their exposure to the simulated atmosphere of Titan and UV radiation. Two thickness sets of parylene layers (2 and 6 µm) were prepared, which were subsequently exposed to the influence of a simulated atmosphere with a methane content of 1, 3 and 5% – at laboratory and reduced temperatures (cooling with liquid nitrogen). In each set, the samples were always duplicated, thanks to which we obtained two sets of samples – the first was affected only by the conditions used in the simulation of atmospheric events on Titan (reaction products and the used discharge) and the second set, which was additionally degraded using UV radiation (possible influence of photons). The effect of such treatments was characterized using FTIR and other analytical methods. It turns out that even when exposed to the conditions of the simulated atmosphere, photooxidation occurs for most of the samples exposed to the mixture with the highest methane content. For some samples, this led to a reduction of a subsequent effect of applied UV radiation, which is probably the result of the parylene layer cross-linking. AFM confirmed that the reactions taking place on the layers during the simulation of the atmosphere increase their roughness, and that after exposure to UV radiation, the layers exposed to Titan's atmosphere at laboratory and reduced temperatures exhibit strong surface degradation. This was also confirmed during nanoindentation, where the layers without the influence of secondary UV radiation did not show an increase in hardness or elastic modulus, while after UV irradiation the values were almost doubled, and their uncertainties also increased significantly. The strong degradation effect of the applied UV radiation was observed by SEM as well – these samples were almost impossible to measure due to the strong charging and visible in-situ deformation by the used electron beam. The work also included the synthesis of silver and copper nanoparticles for their later targeted incorporation into parylene layers. Nanoparticles were prepared by using electrical discharge in liquids. While the silver nanoparticles were metallic and spherical in shape, a nanowhiskers structure and significant agglomeration were observed for the copper-based particles; their surface was not metallic but formed of oxides/hydroxides. The direct application of nanoparticles into the parylene layers could not be implemented, yet.
Keywords:
AFM; conformal coating; CVD; nanoparticles; parylene; PTR-MS; SEM; Thin layer; Titan; AFM; CVD; konformní vrstva; nanočástice; parylen; PTR-MS; SEM; Tenká vrstva; Titan
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/209224
guest ::
