Исследование теплоемкости, теплопроводности гетерофазных композиционных теплозащитных материалов с непрерывной полимерной фазой

УДК 623.462.24

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ, ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГЕТЕРОФАЗНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С НЕПРЕРЫВНОЙ ПОЛИМЕРНОЙ ФАЗОЙ

С.А. Койтов, В.Н. Мельников

RESEARCH OF THE THERMAL CAPACITY, HEAT CONDUCTIVITY OF HETEROPHASE COMPOSITE HEAT-SHIELDING MATERIALS WITH THE CONTINUOUS POLYMERIC PHASE

S.A. Koytov, V.N. Melnikov

Приводятся результаты теоретических расчетов и экспериментального определения теплопроводности, теплоемкости наполненных реактопластов, использующихся в качестве теплозащиты. Предложен наиболее эффективный состав композита.

Ключевые слова: теплозащитный материал, испытания материалов, полимеры.

In work results of theoretical calculations and experimental definition of heat conductivity, a thermal capacity filled polymers, used as a heat-shielding are resulted. The most effective structure of a composite is offered.

Keywords: heat-shielding material, material testing, polymers.

Для защиты металлических корпусов изделий от аэродинамического нагрева применяются теплозащитные покрытия (ТЗП) комбинированного действия: поглощающие тепло, излучающие тепло и обеспечивающие снижение температуры набегающего аэродинамического потока за счет вдува в него газообразных продуктов термической деструкции материала покрытия. Одним из высокоэффективных видов такого покрытия является композит ТЗМКТ-8, представляющий собой реактопласт на основе эпоксидного связующего ЭДТ-10 (смола КДА, отвердитель триэтано-ламинтитанат (ТЭАТ)) и упрочняющего наполнителя из кремнеземной ткани объемного переплетения [1]. В связи с уменьшением финансирования бюджета НИОКР было решено снизить затраты на производство путем перехода с изготовления ТЗП методом пропитки под давлением на более экономичную технологию вакуумного формования.

Полученный методом вакуумного формования материал ТЗМКТ-8В-ТЭАТ состоит из тех же компонентов, что и композит ТЗМКТ-8, но отличается от него контрольными характеристиками, такими как плотность, пористость, содержание связующего. Известно, что свойства наполненных полимеров определяются свойствами полимерной матрицы и наполнителя, их соотношением, характером распределения наполнителя в матрице, природой взаимодействия на границе раздела полимер-наполнитель [2].

С целью увеличения сроков хранения сборочных единиц с ТЗП была разработана новая система теплозащиты с применением композиционного материала ТЗМКТ-8В-МФД, состоящего из стеклоткани и полимерной матрицы на основе смолы КДА и ароматического аминного отверди-теля метафенилендиамина (МФД).

Изучение и сравнение термических свойств наполненных полимеров ТЗМКТ-8В-ТЭАТ, ТЗМКТ-8В-МФД, полученных вакуумным формованием, с ранее использующимся реактопластом ТЗМКТ-8, изготовленным методом пропитки под давлением, позволили определить диапазон использования этих теплозащитных композиционных материалов.

Измерение тепловой активности материалов при температуре 20 °С проводили на образцах материалов ТЗМКТ-8В-ТЭАТ, ТЗМКТ-8В-МФД размерами (60 х 60 х 5,1) ± 0,4 мм. Измерения

проводились на приборе ИТА-4. Образцы изготовлены из плит материалов ТЗМКТ-8В-МФД, ТЗМКТ-8В-ТЭАТ размерами (500 х 350 х 5,1) ± 0,4 мм методом вакуумного формования.

Тепловая активность - характеристика материала, зависящая от его плотности, удельной теплоемкости и теплопроводности.

893,3 Вт • с0,5

Тепловая активность материала ТЗМКТ-8В-МФД составила Асред =------------ 2

851,3 + 936,8 м2К

материала ТЗМКТ-8В-ТЭАТ - Асред = 1114

Вт • с0,5 м 2 К

Теплопроводность материала ТЗМКТ-8В-ТЭАТ, рассчитанная по формуле (1), составила Вт

К = 0,64 — [3].

м • К

А2

К = —,

с •у

Вт • с0,5

где с - теплоемкость, 0,84 кДж/кгК; А - тепловая активность, 1114--------------2---; У - удельная плот-

м К

ность, 1,6 г/см3.

Определим тепловую активность материала ТЗМКТ-8, зная, что с = 0,84 кДж/кгК; у = 1,65 г/см3; Вт

К = 0,407

м • К

Вт • с

0,5

м 2 К

Из результатов определения тепловой активности следует, что разработанный композиционный материал ТЗМКТ-8В-МФД с полимерной матрицей в нестехиометрическом соотношении компонентов удовлетворяет данному критерию, так как находится в диапазоне между величинами тепловой активности материалов ТЗМКТ-8В-ТЭАТ и ТЗМКТ-8, подтвердивших свою работоспособность в натурных испытаниях изделий.

Для экспериментального определения теплопроводности (X) материала ТЗМКТ-8В-МФД был выбран прямой стационарный метод измерения на образцах цилиндрической симметрии. Установка для измерения теплофизических характеристик материалов представляет собой цилиндрическую печь, в которой температура испытаний регулируется фоновым нагревателем. Блок-схема установки приведена на рис. 1.

При известной удельной мощности центрального нагревателя, приходящейся на единицу его длины, и разности температур между термопарами, установленными вдоль радиуса центрального диска, можно рассчитать теплопроводность образцов по следующему соотношению (2):

К= * ч 1п ^,

2п(2 * 1) ^1

где X - теплопроводность образцов, Вт ; *I =(1 • Ц)/1 - удельный линейный поток тепла,

м • К м

(I - ток, проходящий через центральный нагреватель, А; и - напряжение на центральном нагревателе, В; I - длина нагревателя, м); Ль Я2 - расстояния от центра образца до первой и второй термопар соответственно, м; *2 - температуры, измеренные в точках расположения термопар, °С.

Для измерения температуры использовались хромель-алюмелевые термопары. Измерение мощности центрального нагревателя - ток и напряжение проводились универсальными цифровыми вольтметрами. Расстояния от центра образца до места расположения термопар измерялись на микроскопе-микрометре с погрешностью 0,005 мм.

Полученные экспериментальные значения теплопроводности композиционных образцов ТЗМКТ-8В-МФД в зависимости от температуры нагрева приведены на графике (рис. 2). На графике для сравнения также приводятся результаты определения теплопроводности материала ТЗМКТ-8.

Контроль и испытания

Анализ сравнения теплопроводности наполненных реактопластов указывает на более эффективную теплозащитную функцию полимерного материала ТЗМКТ-8В-МФД при температурах свыше 200 °С. При температуре 270 °С теплопроводность материала ТЗМКТ-8В-МФД на 29 % ниже материала ТЗМКТ-8, что означает меньший перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым. В итоге при использовании ТЗП ТЗМКТ-8В-МФД ожидается меньший нагрев защищаемых корпусов при одинаковых тепловых потоках. На основе экспериментальных измерений теплопроводности стеклопластика ТЗМКТ-8В-МФД получена математическая функция зависимости теплопроводности от температуры у = -5Е - 06х2 + 0,001х + 0,5093, величина аппроксимации Я2 = 0,45. Математическая функция теплопроводности композита ТЗМКТ-8 у = 0,3869е0 0015х, Я2 = 0,9669.

5

Рис. 1. Блок схема установки для измерения теплофизических характеристик материалов:

1 - фоновый нагреватель; 2 - градиентный, центральный нагреватель; 3, 4 - термопары;

5 - стабилизированный источник питания радиального нагревателя; 6 - стабилизированный источник питания фонового нагревателя; 7 - сосуд Дьюара; 8 - цифровой вольтметр, измеряющий термоэдс; 9 - коммутатор; 10 - цифровой вольтметр для измерения тока и напряжения на центральном нагревателе; 11 - образцы; 12 - асбестовые прокладки

Выгорание связующих компонентов - начало деструкции образцов ТЗМКТ-8В-МФД - наблюдалось при температуре выше 200 °С. На рис. 3 изображены образцы ТЗМКТ-8В-МФД после испытаний при температуре 317 °С. Термодеструкция связующей матрицы на поверхности композита сопровождалась большим количеством летучих продуктов.

Расчет теплоемкости материала ТЗМКТ-8В-МФД при температуре 20 °С осуществлялся по

Вт Вт•с05

формуле (1), где с = 1,03 кДж/кгК; X = 0,52-----; у = 1,48 г/см ; А = 893,3 -2---.

м•К м2К

В таблице приведены результаты определения теплофизических характеристик исследуемых материалов при температуре 20 °С.

Анализ данных, приведенных в таблице, позволяет выявить ключевые преимущества разработанного теплозащитного материала ТЗМКТ-8В-МФД над его аналогами, заключающиеся:

- в снижении массы ТЗП за счет уменьшения удельной плотности материала на 10 % относительно композита ТЗМКТ-8, без потери основных теплозащитных параметров;

- в увеличении теплоемкости, которая на 22 % превосходит теплоемкость материала ТЗМКТ-8 при температуре 20 °С;

Койтов С.А., Мельников В.Н.

- в том, что с началом термодеструкции при температурах выше 200 °С материал ТЗМКТ-8В-МФД проявляет увеличение теплозащитных свойств за счет уменьшения теплопроводности на 29 % относительно материала ТЗМКТ-8.

Композиционный материал ТЗМКТ-8В-МФД, полученный методом вакуумного формования, превосходит по всем исследованным в работе величинам материал ТЗМКТ-8В-ТЭАТ, изготовленный по этой же технологии.

Рис. 3. Структура поверхности образцов материала ТЗМКТ-8В-МФД после определения теплопроводности при температуре 317 °С

Теплофизические характеристики материалов при температуре 20 °С

Наименование материала и 0,5 . Вт • с А' м 2 К Вт X, м • К с, кДж/кгК у, г/см3 В, % Содержание связующего, %

ТЗМКТ-8В-МФД 893,3 0,52 1,03 1,48 5,5 41,8

ТЗМКТ-8В-ТЭАТ 1114 0,64 0,84 1,6 3 42

ТЗМКТ-8 751,06 0,407 0,84 1,65 3,1 36,5

Использование композита ТЗМКТ-8В-МФД в качестве теплозащитного покрытия является более предпочтительным по сравнению с материалом ТЗМКТ-8, изготовленным методом пропитки под давлением, вследствие более эффективной функциональной работоспособности при температурах свыше 200 °С.

Результаты анализа теплофизических параметров позволяют заключить, что композиция из стеклоткани МКТ-5,1 и полимерной матрицы, состоящей из эпоксидной модифицированной

Контроль и испытания

смолы КДА и ароматического отвердителя метафенилендиамина (МФД), является наиболее теплостойкой из реактопластов, рассмотренных в данной работе.

Литература

1. Теплопроводные клеи на основе модифицированных эпоксидных смол / С.Н. Гладких, Л.И. Кузнецова, Л.И. Наумова, А.И. Вялов //Клеи. Герметики. Технологии. - 2009. - № 3. - С. 8-13.

2. Теплотехника: учеб. для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; под ред. В.Н. Луканина. - М. : Высш. шк., 1999. - 671 с.

Поступила в редакцию 7 февраля 2012 г.

Койтов Станислав Анатольевич. Кандидат технических наук, начальник ОАО «ОКБ „Нова-тор“», Екатеринбург. Область научных интересов - химия и технология неметаллических материалов. Тел.: (343) 264-83-21; e-mail: koytov@rambler.ru

Stanislav A. Koytov. Candidate of engineering science, read of design office, Experimental machine-design bureau “Novator”, Yekaterinburg. The area of scientific interests - chemistry and technology non-metallic materials. Tel.: (343) 264-83-21; e-mail: koytov@rambler.ru

Мельников Владимир Николаевич. Доктор технических наук, академик Академии технических наук РФ, заместитель начальника отдела ОАО «ОКБ „Новатор“», г. Екатеринбург. Область научных интересов - тепловая защита изделий от аэродинамического нагрева и продуктов сгорания твердых топлив, применение неметаллических материалов в изделиях специального назначения. Тел.: (343) 264-64-09; e-mail: main@okb-novator.ru

Vladimir N. Melnikov. Doctor of science (engineering), academic of the RF Academy of engineering sciences, deputy head of department, Experimental machine-design bureau “Novator”, Yekaterinburg. The area of scientific interests - thermal protection of surfaces against aerodynamic heating and affect of solid fuel exhausts; use of non-metallic materials for airborne objects. Те1: (343) 264-64-09; e-mail: main@okb-novator.ru