Материал "Вулкан-М" для наружной тепловой защиты летательного аппарата
”VULKAN-M” MATERIAL FOR EXTERNAL THERMAL PROTECTION OF AN AIRCRAFT

Изобретение относится к теплозащитным покрытиям, а именно к теплоизоляционным материалам на основе силикатов щелочных металлов и предназначено для использования в авиационной и космической областях. Данный материал может использоваться для защиты наружных поверхностей высокоскоростных летательных аппаратов при высоких температурах эксплуатации.
Из патента RU №2631302 «Теплозащитное покрытие», дата приоритета 18.02.2015, опубликовано 10.09.2016 Бюл. №25, известно покрытие, содержащее полимер «Стиросил» марки А, микросферы стеклянные марки МС-ВП-А9 группы 2÷3, слюду молотую СМФ-125, подслой П-11. Известное покрытие обладает высокими прочностными, эластичными и эрозионными свойствами. Однако оно не может обеспечить высокие показатели по защите корпуса высокоскоростного летательного аппарата от воздействия тепловой энергии, возникающей от трения набегающего потока воздуха, до требуемых значений рабочей температуры 1200°С, так как вяжущее известного покрытия «Стиросил» марки А имеет органическую основу, и максимальная температура применения не превышает 350°С.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является покрытие марки «Термосил» (ТУ2257-509-56897835-2011), предназначенное для тепловой защиты изделий специальной техники. Принимаем его в качестве прототипа.
Прототип включает:
- силоксановый блоксополимер «Лестосил», ТУ 38.03.1.006-67 - 42 м.ч.
- микросферы стеклянные полые марки МС-ВП-А9, ТУ 6-48-91 - 26,29 м.ч.
- отвердитель - продукт МСН-7-80, ТУ 6-02-991 - 6,29 м.ч.
- растворитель толуол, ГОСТ5789 или ГОСТ 14710- 175,71 м.ч.
Покрытие «Термосил» наносят методом пневматического послойного напыления. Сушку и отвердение покрытия осуществляют на воздухе при температуре 15-35°С или в сушильной камере при температуре 70-80°С. Покрытие обладает достаточными теплоизоляционными свойствами при рабочей температуре 260°С с низким коэффициентом теплопроводности.
Основным недостатком покрытия «Термосил» является сравнительно низкая температура начала интенсивного разложения в воздушной среде при температуре 350°С.Что в свою очередь приводит к разрушению материала и потере теплоизоляционных свойств и, соответственно, не способствует обеспечению эффективной защиты от воздействия температуры в диапазоне 350-1200°С.
Таким образом, описанное покрытие «Термосил» не обладает достаточными теплозащитными свойствами, которые необходимы для защиты корпуса высокоскоростного летательного аппарата при температурах выше 350 °С. Кроме того, данное покрытие имеет относительно высокий коэффициент термического линейного расширения (ТКЛР), что отрицательно сказывается на снижении прочностных и теплозащитных свойств, и приводит к преждевременному старению в период хранения для резко континентальных климатических условий диапазона температур от -50 до+50°С.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание теплозащитного материала повышенной стойкости с рабочей температурой 1200°С и низким коэффициентом термического линейного расширения.
Технический результат, направленный на решение указанной задачи, заключается в применении современных вяжущих, неорганического происхождения, и применение незначительного количества микрокремнезема, влияющие на высокие показатели по температуре использования, а также значительному повышению трещинностойкости при сушке и дальнейшем, длительном хранении изделия с готовым покрытием.
Поставленная задача достигается тем, что теплозащитный материал состоит из неорганического связующего, а именно этилсиликата 1-2 мас. %, коллоидного вяжущего на основе кремнезоля 23-26 мас. %, стекла жидкого каустического калиевого 45-50 мас. %, в качестве наполнителя используют вакуумные алюмосиликатные микросферы 4-5 мас. %, каолиновые и бентонитовые глины 15-20%, муллитокремнеземистое волокно 2-3 мас. %, микрокремнезем 0,5-1,5 мас. %, а также присутствуют удаляемые органические добавки, а именно триполифосфат натрия в качестве промотора адгезии 0,5-1,5 мас. %, пластификатор на основе полиэтиленгликоля 0,2-0,4 мас. %, разжижитель массы на основе полиметиленнафталинсульфоната 0,4-0,8 мас. %, влагоудерживающая добавка на основе полиалкилацетата 0,1-0,5 мас. %.
2
Заявляемый материал «Вулкан-М» наносится на поверхность корпусов летательных аппаратов методом таркретирования (воздушно-капельного напыления), с последующей термической обработкой, режим которой с учетом состава материала позволяет оптимизировать соотношение массовых, физико-механических и теплофизических свойств покрытия в зависимости от интенсивности и длительности высокотемпературного динамического воздействия набегающего потока воздуха в процессе полета высокоскоростного летательного аппарата. Таркретирование производится текстурным пистолетом, с рабочим давлением сжатого воздуха 1,5-1,7 кгс/сми соплом №6. Материал «Вулкан-М» наносится слоями δ=1-1,2 мм. Сушка и последующая термообработка каждого слоя осуществляется двумя этапами: первым этапом проводится естественная сушка при комнатной температуре 20±2°С и относительной влажности до 75% в течение суток, вторым этапом проводят термообработку при температуре 70°С и скоростью подъема не более 0,3°С в минуту в течение 24 часов в специализированном сушиле с электроподогревом и принудительной рециркуляцией воздуха для усреднения температуры во всем объеме.
При термообработке при 70°С растворы кремниевых кислот (ортокремниевой, метакремниевой и т.д.), находящиеся в составе коллоидного вяжущего на основе кремнезоля, входящего в состав материала «Вулкан-М» образуют коллоидные частицы или мицеллы, которые реагируют и притягивают частицы наполнителя образовывая твердую матрицу с силаксановой связкой. Микрокремнезем участвует в образовании матрицы, за счет большой удельной поверхности, тем самым предотвращая образование микротрещин и раскрытием их в дальнейшем при длительном хранении изделий с готовым покрытием.
Испытания заявляемого материала проводились с использованием оборудования исследовательской противопожарной лаборатории с имитацией условий максимально приближенных к температурным и механическим нагрузкам, возникающим в процессе движения высокоскоростного летательного аппарата в плотных слоях атмосферы.
В испытаниях использовался следующий состав материала:
- этилсиликат 1 мас. %,
- коллоидное вяжущее кремнезоль 25 мас. %,
- стекло жидкое каустическое калиевое 48 мас. %,
- вакуумные алюмосиликатные микросферы 5 мас. %,
- каолиновые и бентонитовые глины 17 мас. %,
- муллитокремнеземистое волокно 2 мас. %,
- микрокремнезем 0,5 мас. %,
- триполифосфат натрия в качестве промотора адгезии 0,5 мас. %,
- пластификатор полиэтиленгликоль 0,3 мас. %,
- разжижитель массы полиметиленнафталинсульфонат 0,6 мас. %,
- влагоудерживающая добавка полиалкилацетат 0,1 мас. %.
Теплофизические характеристики и результаты испытаний заявляемого материала в сравнении с прототипом приведены в таблице.
Нагрев поверхностного слоя теплозащитного материала происходит от трения с набегающим потоком воздуха до температуры 1200°С. При этом поверхностный слой при достижении температуры 400°С переходит от силоксановой к силанольной связке, а при достижении температуры 700°С - к керамической, сохраняя свои тугоплавкие и теплоизоляционные свойства. Температура начала деформации под нагрузкой 0,5 МПа материала «Вулкан-М» составляет 760°С. При этом частично начинает образовываться жидкая фаза расплава, но благодаря неорганической природе основных компонентов, время огнестойкости данного материала составляет в пределах 30 минут. При этом полностью сохраняются теплоизоляционные свойства материала.
Таким образом, заявляемый «Материал «Вулкан-М» для наружной тепловой защиты летательного аппарата» обладает повышенной стойкостью с рабочей температурой 1200°С. Также, за счет низкого значения коэффициента термического линейного расширения и применения составляющих на неорганической основе, заявляемый материал стабилен при климатических перепадах температур в диапазоне от - 50°С до +50°С, что соответственно позволяет увеличить сроки хранения летательного аппарата до 27 лет без потери теплозащитных и прочностных характеристик.
Поскольку в составе материала «Вулкан-М» отсутствуют легковоспламеняемые вещества и жидкости, его производство не требует, в отличие от прототипа, специально оборудованных мест, противопожарных мероприятий, не ограничивает перечень применяемого оборудования и не предъявляет дополнительные требования к квалификации персонала.
Таким образом заявляемое изобретение обладает промышленной применимостью, а все компоненты производятся на территории Российской Федерации.