Теплозащитный материал с использованием оксидных армирующих наполнителей

С.С. Солнцев, В. А. Розененкова, H.A. Миронова, C.B. Гаврилов

ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКСИДНЫХ АРМИРУЮЩИХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ

Изложены особенности технологии получения волокнистых композиционных материалов на основе керамических и стеклокерамических матриц.

Экспериментально установлено влияние технологического процесса получения стеклокерамических и керамических композиционных материалов на их теплофизические свойства.

Ключевые слова: теплозащитный материал, волокнистые композиционные материалы

Применение теплозащиты в современных изделиях авиационно-космической техники IV-V поколений ужесточает требования, предъявляемые к разрабатываемым материалам по обеспечению рабочих температур и конструкционной прочности. Для обеспечения функциональных характеристик современных летательных аппаратов широко применяют теплозащитные стеклокерамические композиционные материалы (СККМ).

Волокнистые композиционные материалы на основе керамических и стеклокерамических матриц привлекают особое внимание, благодаря их чрезвычайной стойкости к термическим и химическим воздействиям. Они продемонстрировали ряд преимуществ по сравнению с металлическими материалами, а именно уникальное сочетание малой плотности с высокой конструкционной прочностью, стабильностью и рядом других свойств [1].

Требования противостоять окислению при высоких температурах значительно ограничивают выбор упрочняющих керамических и стеклокерамических волокон. Оксидная керамика является наиболее перспективной для синтеза высокотемпературной теплозащиты. Кроме того, армирующие компоненты оксидной керамики не являются дефицитными и дорогостоящими. Перспективными считаются волокна на основе оксида алюминия, муллита, диоксида циркония, а также нитрида и карбида кремния. Как правило, для синтеза матрицы используют те же соединения, которые благотворно влияют на их совместимость с армирующим наполнителем. Повышение эксплуатационных характеристик оксидных композиционных материалов осуществляется путем улучшения качества исходного сырья, оптимизации составов и технологических режимов [2].

Регулирование свойств таких материалов возможно осуществлять путем подбора составляющих компонентов, их количественного соотношения, распределения и ориентации в объеме материала, технологических параметров их получения. Это позволяет получать композиционные материалы многофункционального назначения [3, 4].

В данной работе в качестве матрицы исследовалась система АЬОз-БЮг. Оксид алюминия вводился в состав матрицы в виде водорастворимых солей или высокодисперсного порошка. Отличительной особенностью стекловидных и стеклокерамических матриц является низкая реакционная способность и высокое сопротивление деформированию в твердофазном состоянии, однако проблемы химической и механической совместимости для композитов весьма серьезны, их решение требует комплексных подходов, тщательной научной и практической проработки процессов синтеза и технологии.

Одним из важнейших этапов производства СККМ и обеспечения его высоких свойств является получение качественного полуфабриката - мата из объемно-структурированных армирующих наполнителей. Мат должен быть равноплотным на макро- и микроуровнях, иметь максимальную изотропность, обладать необходимой технологической прочностью и заданными геометрическими размерами. При этом уже

на этапе получения матов должна учитываться схема последующего технологического процесса изготовления СККМ.

Была разработана технология изготовления матов из армирующих волокон на основе муллита и каолина.

Механическая очистка исходных армирующих волокон заключалась в удалении крупных неволокнистых включений.

Гидросуспензию готовили в емкости с мелющими шарами на валковой мельнице. В процессе изготовления гидросуспензии установлено, что при перемешивании волокно претерпевает хаотичное соударение с мелющими шарами, в результате чего оно утрачивает до 50% исходных механических характеристик. Поэтому был опробован второй вариант приготовления гидросуспензий из волокна, обработанного на ножевой мельнице. Маты, полученные из волокна, подвергнутого обработке на ножевой мельнице, обладали большей технологической и механической прочностью.

Удаление воды может осуществляться как самопроизвольно, так и принудительно под давлением. Регулирование давления позволило получить маты с пористостью от 20 до 40% (объемн.) и обеспечило возможность получения КМ с регулируемой объемной долей армирующего наполнителя - от 20 до 40% (объемн.). При этом маты получаются равноплотными, отсутствует слоистость. На рис. 1 представлены данные по изменению плотности полученных волокнистых заготовок в зависимости от давления.

' 100 150 200 250 300

Давление прессования, Па

Рис. 1. Влияние давления прессования на плотность волокнистых полуфабрикатов

Процесс сушки заключался в полном удалении влаги из мата за счет ее испарения. Температурно-временной режим сушки матов является определяющим фактором получения бездефектных заготовок - должны отсутствовать коробление, расслоение и трещины.

Основной способ получения СККМ на основе волокнистых полуфабрикатов из оксидных волокон и стеклокерамической матрицы - золь-гель метод. Достоинством данного метода является низкая энергоемкость процесса и обеспечение высоких качественных показателей материала. При этом возможны различные технологические приемы получения СККМ - от простой пропитки волокнистой заготовки матричным составом до горячего прессования полуфабриката СККМ под давлением.

На этапе перехода от изготовления образцов до изготовления изделий из СККМ учитывали, что качество и стабильность свойств изделий зависят от многих факторов: состава и качества исходных компонентов, технологических параметров, размеров изготовляемого изделия и его конфигурации. Часто на переходном этапе в готовом изделии возникали разного рода дефекты - как поверхностные, так и внутренние, что не наблюдалось при изготовлении образцов. Количество дефектов, как правило, увеличива-

лось с увеличением размеров изделия и с изменением вида термической обработки, которой оно подвергается.

Для устранения дефектов, связанных с нарушением фазовой стабильности СККМ, вводили в состав гель-матриц агенты - замедлители кристаллизации (борсо-держащие компоненты), а для снижения усадок при высокотемпературном нагреве -оксид магния, замедляющий спекание стеклокерамических волокон.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность выбранных направлений. Были изготовлены три партии панелей из теплозащитного материала типа Геларм размером 400x400x150 мм на основе муллитового волокна и матрицы системы АЬОз-БЮг с добавками ЕЬОз и М^О. Экспериментальные панели прошли предварительную термообработку до 1000°С в течение 1 ч, после чего испытывались на температуроустойчивость по режиму: 1650°С, 20 мин и 1 ч. Оценка температуроустой-чивости панелей проводилась по изменению их размеров и по качеству поверхности. Были получены следующие данные: усадки панелей СККМ на основе оксидных волокон и матрицы системы АЬОз-БЮ? с добавками В9О3 и MgO после испытаний составили 35%, в то время как усадки панелей, не содержащих компонентов модификаторов, составили 10-11%.

Температуроустойчивость экспериментальных панелей СККМ на оксидных армирующих волокнах подтверждена данными рентгенофазового анализа. Фазовый состав образцов СККМ исследовался как в исходном состоянии, так и после термообработки по следующим режимам: 1000°С (10 мин и 1 ч); 1650°С (10 мин и 1 ч). Съемка образцов проводилась на дифрактометре Б/МАХ-2500 фирмы «1^аки» с медным монохроматическим излучением (рис. 2).

В результате проведенных исследований установлено, что основными фазами исходного СККМ являются корунд АЬОз, аморфный кварц 8109 и оксид АЬОз. При нагреве до 1000°С, 1 ч, появляется дополнительная фаза - муллит - и незначительное количество силлиманита (<0,55%). При нагреве материала до температуры до 1650°С и выдержке до 1 ч основной состав СККМ остается неизменным, содержание муллита не меняется, и лишь незначительно снижается содержание аморфного кварца (<0,1%) и появляется кристаллический кварц.

В работе были проведены исследования теплофизических свойств СККМ на оксидных волокнах и из нитевидных кристаллов карбида кремния (НК-БЮ). Размер исследуемых образцов: диаметр 0,015 м, толщина 0,003 м. Плотность исследуемых образцов находилась в пределах ¿/=0,6-0,7 г/см3.

J

75 50 25 Г

75 50" 25

75  50  25

75' 50 25

Исходное состояние

I

- -,V .. I

1000°С, 10 мини 1 ч

, .'""'ЛлЧ ,,,, L I- ':

I I

1650°С,10 мин

.....-,

1650°С.1ч

I !-

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110 120130

20, град

Рис. 2. Дифрактограммы образцов СККМ типа «Геларм» на оксидных волокнах

Получены следующие данные по теплопроводности (X): Материал образцов

На волокне системы АЬОз-БЮг...................

НК-БЮ.......................................

X, Вт/

0,13-0,14 . 0,24-0,25.

Данные результаты свидетельствуют о том, что разработанный СККМ на оксидных волокнах по теплопроводности превосходит СККМ на дефицитном армирующем волокне БЮ.

Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели разработанного СККМ на основе оксидных армирующих наполнителей и стеклокерамической матрицы: высокая температуроустойчивость, механическая прочность, низкие теплопроводность и плотность, экологическая безопасность.

1. Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений: Международная научно-техническая конференция - М.: ЦАГИ, 2004, с. 64-96.

2. Композиционные материалы: Справочник - М.: Машиностроение, 1990, Гл. 1,

3. Августинник А.И. Керамика - Л.: Стройиздат, 1975, с. 370-380.

4. Солнцев С.С., Минаков В.Т., Розененкова В.А., Швец Н.И., Миронова Н.А., Антонова C.B. Комплексные температуроустойчивые защитные покрытия для керамоке-рамических композиционных материалов: Труды ХУШ совещания по температуро-устойчивым функциональным покрытиям, ч. 2 - Тула: изд. ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 2001, с. 8-10.

С. С. Солнцев, Н.В. Исаева, В.В. Швагирева, Г. А. Соловьева

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЖАРОСТОЙКИЕ ЭМАЛЕВЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА ТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ И ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Приведены данные по влиянию и воздействию продуктов сгорания топлива на сопротивляемость коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов и их работоспособность. Для защиты от коррозионного воздействия продуктов сгорания топлива разработаны и применяются жаростойкие газоплотные стеклоэмалевые покрытия.

Ключевые слова: жаростойкие эмалевые покрытия, коррозионностойкие стали, жаропрочные сплавы.

Сопротивляемость коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов воздействию продуктов сгорания топлива зависит от химического состава материала, влияния примесей топлива, температуры и продолжительности воздействия, а также циклического нагружения на работающие конструкции.

При неполном сгорании некоторых топлив в продуктах сгорания всегда содержатся соединения углерода (оксид углерода, углеводороды и др.), что приводит к отложению на поверхности металлических конструкций продуктов термического разложения углеводородных горючих (нагар, сажа).

ЛИТЕРАТУРА

с. 7-10.