The use of lightweight polymeric composites with better physical and multifunctional capabilities in spacecraft can reduce its operating cost. However, the conventional carbon epoxy composites(CFRP) that are employed in the space environment, mostly Low Earth Orbit(LEO), have very poor shielding performance to environmental factors like Atomic Oxygen(AO), Ultraviolet radiation(UV), high vacuum, Thermal cycling and space debris impacts. Therefore, a polymer coating using Polybenzimidazole(PBI), a high performance thermoplastic polymer, is suggested in this research as a method to improve the shielding performance towards hypervelocity debris impact. The coated samples tested for resistance to AO, UV, thermal cycling and high vacuum in a LEO simulation facility revealed that the mass loss and surface erosion decreases, inferring enhanced protection than CFRP. Hypervelocity impact tests performed using a two stage light gas gun(LGG) showed that the energy absorption of the CFRP improved by PBI coating. Therefore, the PBI film coating can effectively improve the shielding performance of the composite material. The study also discusses the effectiveness of adding nanomaterials like carbon nanotubes(CNT’s) and graphene in the PBI coating towards the LEO environment shielding performance. It was observed that adding CNT’s and graphene had no considerable improvement in impact energy absorption. Regardless of this, both nanoparticles showed a very good reduction in mass loss and surface erosion towards other LEO environmental factors making them suitable as fillers in the PBI film.
우수한 기계적 특성과 다기능성을 가지는 고성능 폴리머 복합재료를 사용하여 우주비행체의 운용비용을 낮출 수 있다. 하지만 일반적인 탄소섬유복합재료(CFRP)의 경우에는 원자산소(AO), 자외선(UV), 고진공, 열사이클 그리고 우주파편충돌을 포함하는 저궤도 우주환경(LEO)하에서 매우 아주 안 좋은 보호성능을 가지고 있다. 따라서 본연구에서는 고성능의 열가소성 수지인 폴리벤즈이미다졸(PBI)의 코팅을 이용하여 초고속 파편 충돌에 대해서 보호성능을 향상시키기 위한 방법이 제안되었다. 제안된 시편의 AO, UV, 열사이클 및 고진공에 대한 저항성을 LEO 환경 모사장비를 이용하여 시험하였다. 코팅된 시편은 기존 탄소섬유복합재료에 비해 더 적은 질량손실과 표면부식을 나타내었다. 2단경가스총을 이용한 초고속충돌시험을 통하여 PBI코팅시 CFRP 의 충격에너지 흡수 성능이 크게 향상됨을 확인하였다. 따라서, 제안된 PBI 필름 코팅은 복합재료의 보호성능을 효과적으로 향상시킬 수 있었다. 또한, 본 연구에서는 PBI에 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀과 같은 나노물질의 첨가에 대한 영향을 확인하였다. CNT나 그래핀의 첨가는 충격에너지 흡수에는 큰 효과가 없었지만, 두 가지 나노물질 모두 다른 우주환경적 요인들에 대해 매우 좋은 질량손실 및 표면부식 감소를 나타내었다. 이는 두 나노물질이 PBI 필름에 필러로 적합하다고 볼 수 있다.
