ТЕРМОБАРЬЕРНОЕ НАНОПОКРЫТИЕ И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
THERMAL-BARRIER NANOCOATING AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Область техники
Изобретение относится к области управления переносом тепловой энергии через материалы и, в частности, к термобарьерному покрытию и способу его изготовления.
Уровень техники
В ряде промышленных отраслей важную роль играет регулирование потока тепловой энергии через материалы. Тепловая энергия протекает через материал в виде тепловых квантов, называемых фононами. Поток фононов через материал можно уменьшить, используя изоляцию, которая создает сопротивление потоку фононов, в результате чего возникает термический дифференциал или, иначе, градиент температур. Однако в некоторых случаях использование изоляции для регулирования переноса тепловой энергии может иметь свои ограничения. Например, в аэрокосмической промышленности использование изоляции для уменьшения переноса тепловой энергии может приводить к нежелательному увеличению веса аппарата или к производству деталей, слишком больших по размерам или толщине, не соответствующих эксплуатационным требованиям.
Поток фононов через материал также можно уменьшить, снабдив материал отражающей поверхностью, которая будет отражать тепло, предотвращая поглощение тепла материалом. Однако в некоторых случаях применение отражающих материалов для регулирования переноса тепловой энергии также может оказаться проблематичным, поскольку необходимо поддерживать отражающую поверхность в отполированном и/или зеркальном состоянии, что может увеличивать операционные расходы.
Недавно было обнаружено, что слоистые двухмерные упорядоченные структуры из небольших частиц металла могут взаимодействовать с потоками фононов, уменьшая потоки фононов через такие слои в по существу перпендикулярном к слоям направлении. Однако использование явлений снижения фононных потоков в слоистых двухмерных упорядоченых структурах небольших частиц, называемых фононной интерференцией, в основном ограничивалось лабораторными экспериментами. Изготовление известных на сегодняшний день слоистых двухмерных упорядоченных структур может быть долгим и дорогим, а получившаяся в результате поверхность может оказаться недостаточно надежной, чтобы соответствовать высоким эксплуатационным требованиям, предъявляемым, в частности, в аэрокосмической промышленности.
Таким образом, существует необходимость создания покрытия, которое можно использовать в качестве теплового барьера для регулирования потока тепла через материал с помощью механизма фононной интерференции и которое будет надежным и прочным. Также существует необходимость в способе изготовления покрытия и нанесения его на подложку, который был бы одновременно относительно экономичным и позволял бы наносить покрытия на относительно большие поверхности.
Раскрытие изобретения
В представленных далее вариантах реализации изобретения раскрыто термобарьерное покрытие, которое блокирует или уменьшает поток тепла с помощью композитной конструкции, содержащей наноматериалы с высокой и низкой теплопроводностью в виде тонких пленок или в виде удерживаемой в матрице упорядоченной структуры из малых частиц. В одном из вариантов реализации изобретения указанная композитная конструкция содержит квазирегулярную трехмерную упорядоченую структуру из металлических наносфер с относительно высокой теплопроводностью, заделанных в стекловидную эмалевую матрицу, обладающую относительно низкой теплопроводностью. Тепловые волны, перемещаясь через покрытие, наталкиваются на неоднородности в теплопроводности и частично отражаются на внутренних поверхностях между материалом матрицы и наночастицами.
В результате совокупность частичных отражений от множества поверхностей на разрывах теплопроводности образует суммарно по существу отражающий материал. В некоторых случаях можно заставить такие внутренние отражения интерферировать друг с другом на квантовом уровне. Такая интерференция приводит к формированию высокононаправленного рассеяния, действие которого вызывает сильное ограничение прямого потока тепла, что придает материалу очень низкую теплопроводность. Фактически, заявленное покрытие «отполировано изнутри» в теплоэнергетической зоне. При соответствующих размерах заявленное покрытие может иметь теплопроводность всего 2% от теплопроводности этих же материалов матрицы и наночастиц, смешанных в объеме сплава. Поскольку для регулирования потока тепла описываемое термобарьерное покрытие не зависит от свойств поверхности, его можно заделывать внутри или между элементами или подложками.
Заявленное термобарьерное покрытие обладает легким весом и относительно экономично при нанесении на большие поверхности подложки. Можно изготовить покрытие, способное снижать перенос тепловой энергии в относительно широком диапазоне температур, при этом оно получается очень долговечным и может использоваться для работы в сложных условиях эксплуатации, например, в аэрокосмической промышленности. В некоторых случаях использование предлагаемых термобарьерных покрытий позволяет снизить расход дорогих материалов, например титана, которые предназначены для того, чтобы выдерживать высокие температуры. В других случаях можно подобрать покрытие, пригодное для эксплуатации при пониженных температурах на композитных материалах, например на композитах из эпоксидной смолы с добавлением графита. В предлагаемом термобарьерном покрытии создается интерференция фононов в любом направлении теплового энергетического потока, в отличие от известных методик, в которых слоистые двухмерные упорядоченные структуры способны отражать лишь определенные фононные частоты перпендикулярно слоям.
В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения предлагается термобарьерное покрытие, нанесенное на подложку. Указанное покрытие содержит металлические наночастицы с нанесенным на них стекловидным составом, образующие упорядоченную структуру и вплавленные в стекловидную матрицу для удержания в ней, при этом наночастицы расположены на расстояниях друг от друга, равных длине волны фононов, переносящих тепловую энергию через упомянутое покрытие. Эта упорядоченная структура может представлять собой квазирегулярную трехмерную структуру. Наночастицы могут содержать металл и быть сферической формы. Расстояние между частицами в упорядоченной структуре может быть постоянным, а молекулярная масса наночастиц превышает молекулярную массу связующего материала матрицы. В одном из вариантов реализации изобретения соотношение молекулярных масс материала наночастиц и связующего материала превышает 10. Иными словами, металлические сферы изготовлены из тяжелого материала, например из вольфрама, а матрица изготовлена из легкого материала, например из кремния. Можно использовать и другие материалы без отхода от общего принципа.
В соответствии с другим вариантом реализации предлагается покрытие, выполненное с возможностью нанесения на подложку с целью регулирования протекающего через подложку потока тепла. Покрытие содержит упорядоченную структуру из наночастиц, удерживаемых в матрице, при этом теплопроводность наночастиц по существу превышает теплопроводность матрицы. Матрица может представлять собой стекловидный состав, содержащий плавленый кварц, натриево-кальциево-силикатное стекло, боросиликатное стекло или алюмосиликатное стекло. Стеклянная матрица может быть в виде керамики, такой как оксинитрид алюминия. Размер наночастиц по существу близок к длине волны фононов, переносящих тепло через покрытие при заданной температуре.
В соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения предлагается термобарьерное покрытие. Покрытие содержит, по крайне мере, два слоя, каждый из которых включает в себя упорядоченную структуру из металлических наночастиц, удерживаемых в материале стекловидной матрицы. Слои обладают соответствующим образом подобранными характеристиками для снижения переноса тепла по меньшей мере в двух диапазонах температур. Характеристики могут включать в себя по меньшей мере одно из перечисленного: расстояние между наночастицами, соотношение масс наночастиц к массе материала стекловидной матрицы, и соотношение упругих постоянных наночастиц и связующего материала матрицы. Термобарьерное покрытие может далее содержать третий слой, содержащий упорядоченную структуру из металлических наночастиц, удерживаемых в материале стекловидной матрицы, при этом указанный третий слой обладает соответствующим образом подобранными характеристиками для снижения переноса тепла в третьем диапазоне температур, отличном от первого и второго температурных диапазонов.
В соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения предлагается термобарьерное покрытие для нанесения на деталь летательного аппарата. Покрытие содержит стекловидную матрицу и множество удерживаемых в матрице металлических наночастиц. Наночастицы расположены в виде трехмерной упорядоченной структуры и на по существу одинаковых расстояниях друг от друга, по существу равных длине волны фононов, переносящих тепловую энергию через покрытие.
В соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения предлагается способ нанесения термобарьерного покрытия на подложку. Способ включает нанесение стекловидного состава на металлические наночастицы, расположенные на расстояниях друг от друга, равных длине волны фононов, переносящих тепловую энергию через упомянутое покрытие, и вплавление стекловидного состава, нанесенного на металлические наночастицы, в стеклянную матрицу для удерживания в ней упомянутых наночастицы. Покрытие можно сформировать путем распыления стекловидного порошка или нанесения силикатного состава с помощью золь-гель технологии на наночастицы. Способ также содержит сборку наночастиц в квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру.
В соответствии еще с одним вариантом реализации изобретения предлагается способ формирования термобарьерного покрытия на подложке. Способ содержит нанесение стекловидного состава на металлические наночастицы и самосборку наночастиц в квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру. Способ также включает в себя нанесение самособранных наночастиц на подложку и вплавление покрытий из стекловидного состава в по существу гомогенную матрицу.
Итак, в соответствии с одним аспектом изобретения предлагается покрытие, выполненное с возможностью нанесения на подложку, для регулирования проходящего через подложку потока тепла, содержащее упорядоченную структуру металлических наночастиц, удерживаемых в материале стекловидной матрицы.
В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная упорядоченная структура покрытия представляет собой трехмерную упорядоченную структуру.
В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная упорядоченная структура покрытия является по существу квазирегулярной.
В предпочтительном варианте реализации покрытия наночастицы в основном имеют сферическую форму.
В предпочтительном варианте реализации покрытия наночастицы содержат вольфрам или кобальт.
В предпочтительном варианте реализации покрытия материал стекловидной матрицы включает в себя одно из перечисленного: плавленый кварц, натриево-кальциево-силикатное стекло, боросиликатное стекло и алюмосиликатное стекло.
2
2
2
2
3
2
2
3
2
2
2
2
2
3
2
2
3
2
3
2
В предпочтительном варианте реализации покрытия плавленый кварц содержит аморфный оксид SiO; натриево-кальциево-силикатное стекло содержит SiO, NaO, СаО, AlO, MgO; боросиликатное стекло содержит SiO, ВО, NaO, KO, СаО; а алюмосиликатное стекло содержит SiO, NaO, CaO, AlO и MgO; боросиликатное стекло содержит SiO, ВО, AlO, NaO, MgO и СаО.
В предпочтительном варианте реализации покрытия материал стекловидной матрицы представляет собой керамику.
В предпочтительном варианте реализации покрытия керамика представляет собой оксинитрид алюминия.
В предпочтительном варианте реализации покрытия расстояние между наночастицами в упорядоченной структуре в основном постоянно.
В предпочтительном варианте реализации покрытия атомная масса наночастиц по существу больше, чем атомная масса материала матрицы.
В предпочтительном варианте реализации покрытия атомная масса наночастиц примерно в 10 раз больше атомной массы материала матрицы.
В предпочтительном варианте реализации покрытия упругая постоянная наночастиц по существу больше упругой постоянной материала матрицы.
В предпочтительном варианте реализации покрытия материал стекловидной матрицы представляет собой стеклоэмаль.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается покрытие, приспособленное для нанесения на подложку для регулирования проходящего через подложку потока тепла, содержащее упорядоченную структуру наночастиц, удерживаемых в материале матрицы, в которой наночастицы имеют теплопроводность, по существу превышающую теплопроводность материала матрицы.
В предпочтительном варианте реализации покрытия упорядоченная структура представляет собой по существу правильную трехмерную упорядоченную структуру.
В предпочтительном варианте реализации покрытия материал матрицы представляет собой стекловидный материал.
В предпочтительном варианте реализации покрытия наночастицы в основном имеют сферическую форму.
В предпочтительном варианте реализации покрытия наночастицы содержат вольфрам или кобальт.
В предпочтительном варианте реализации покрытия стекловидный материал включает в себя одно из перечисленного: плавленый кварц, натриево-кальциево-силикатнное стекло, боросиликатное стекло и алюмосиликатное стекло.
2
2
2
2
3
2
2
3
2
2
2
2
2
3
2
2
3
2
3
2
В предпочтительном варианте реализации покрытия плавленый кварц содержит аморфный оксид SiO; натриево-кальциево-силикатное стекло содержит SiO, NaO, СаО, AlO, MgO; боросиликатное стекло содержит SiO, ВО, NaO, KO, СаО; а алюмосиликатное стекло содержит SiO, NaO, СаО, AlO, MgO; боросиликатное стекло содержит SiO, ВО, AlO, NaO, MgO и СаО.
В предпочтительном варианте реализации покрытия стекловидный материал представляет собой керамику.
В предпочтительном варианте реализации покрытия керамика представляет собой оксинитрид алюминия.
В предпочтительном варианте реализации покрытия расстояние между наночастицами в упорядоченной структуре в основном постоянно.
В предпочтительном варианте реализации покрытия атомная масса наночастиц примерно в 10 раз больше атомной массы материала матрицы.
В предпочтительном варианте реализации покрытия упругая постоянная наночастиц по существу больше упругой постоянной материала матрицы.
В предпочтительном варианте реализации покрытия стекловидный материал представляет собой стеклоэмаль.
Преимуществом заявленного покрытия является то, что расстояние между наночастицами в упорядоченной структуре по существу равно длине волны фононов, переносящих тепло через покрытие.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается термобарьерное покрытие, содержащее по меньшей мере два слоя, каждый из которых содержит упорядоченную структуру из металлических наночастиц, удерживаемых в стеклянной матрице, в котором указанные слои обладают соответствующим образом подобранными характеристиками для уменьшения теплопереноса в двух диапазонах температур.
В предпочтительном варианте реализации изобретения заявленное термобарьерное покрытие обладает характеристиками, включающими в себя по меньшей мере одно из далее перечисленного: расстояние между наночастицами в каждой из упорядоченных структур, соотношение масс наночастиц к стеклянной матрице в каждой из упорядоченных структур, и соотношение упругой постоянной наночастиц к стеклянной матрицы в каждой из упорядоченных структур.
В предпочтительном варианте реализации изобретения заявленное термобарьерное покрытие также содержит третий слой, содержащий упорядоченную структуру металлических наночастиц, удерживаемых в стеклянной матрице, при этом указанный третий слой обладает соответствующим образом подобранными характеристиками для снижения переноса тепла в третьем диапазоне температур, отличном от первого и второго температурных диапазонов.
В предпочтительном варианте реализации покрытия каждая из структур представляет собой трехмерную упорядоченную структуру и является квазирегулярной, и в каждой из упорядоченных структур наночастицы имеют, в общем, сферическую форму.
В предпочтительном варианте реализации термобарьерного покрытия материал стеклянной матрицы включает в себя одно из перечисленного: плавленый кварц, натриево-кальциево-силикатное стекло, боросиликатное стекло и алюмосиликатное стекло.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается термобарьерное покрытие для авиадеталей, содержащее стеклоэмалевую матрицу и металлические наночастицы, удерживаемые в матрице, при этом указанные наночастицы расположены в виде трехмерную упорядоченную структуру и находятся по существу постоянном на расстоянии друг от друга по существу равном длине волны фононов, переносящих тепловую энергию через покрытие.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается способ изготовления термобарьерного покрытия, включающий в себя нанесение стекловидного состава на металлические наночастицы и вплавление стекловидного состава в стеклянную матрицу, удерживающую наночастицы.
В предпочтительном варианте реализации термобарьерного покрытия нанесение стекловидного состава выполняют путем распыления стекловидного порошка на наночастицы и нанесения стекловидного порошка на наночастицы с использованием золь-гель технологии.
В предпочтительном варианте реализации изобретения заявленное термобарьерное покрытие также содержит выстраивание наночастиц в квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру.
В предпочтительном варианте реализации термобарьерного покрытия выбирают диапазон температур, в котором покрытие предназначено действовать в качестве термобарьера, а также в зависимости от выбранного диапазона температур выбирают размер наночастиц.
В предпочтительном варианте реализации термобарьерного покрытия вплавление стекловидного состава выполняют путем нагревания стекловидного состава на покрытых наночастицах до температуры плавления стекловидного состава.
В предпочтительном варианте реализации термобарьерного покрытия нагревание стекловидного состава выполняют с помощью лазера.
В предпочтительном варианте реализации термобарьерного покрытия наночастицы выстраиваются в квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру.
Термобарьерное покрытие, изготовленное заявленным способом
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается способ формирования термобарьерного покрытия на подложке, включающий в себя нанесение стекловидного состава на металлические наночастицы; самосборку покрытых наночастиц в квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру; нанесение собранных наночастиц на подложку; и вплавление покрытий стекловидного состава в по существу гомогенную матрицу.
В предпочтительном варианте реализации способа вплавление выполняют путем нагревания покрытых наночастиц до температуры, как минимум, равной температуре плавления стекловидного состава.
В предпочтительном варианте реализации способа самосборку выполняют путем формирования пастообразной смеси, добавляя и смешивая растворитель с покрытыми наночастицами и выпаривая растворитель из пастообразной смеси.
В предпочтительном варианте реализации способа нанесение собранных наночастиц на подложку осуществляют путем нанесения пастообразной смеси на подложку.
В предпочтительном варианте реализации способа выбирают диапазон температур, в котором покрытие снижает перенос тепловой энергии; а также на основе выбранного диапазона температур выбирают характеристики наночастиц и стекловидного состава.
В предпочтительном варианте реализации способа расстояние между наночастицами в трехмерной упорядоченной структуре по существу соответствует длине волны фононов, переносящих тепловую энергию в покрытии.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается способ регулирования проходящего через подложку потока тепла, который включает в себя нанесение покрытия на подложку, а также сборку трехмерной упорядоченной структуры металлических частиц в матрице.
Предпочтительно способ включает по меньшей мере частичное блокирование проходящего через подложку потока тепла путем использования металлических частиц для отражения проходящих через покрытие тепловых фононов.
В предпочтительном варианте реализации способ включает использование металлических частиц для отражения тепловых фононов, проходящих через покрытие по существу в любом направлении.
В предпочтительном варианте реализации способ включает в себя выбор металлических частиц и матрицы, которые обладают по существу различными величинами теплопроводности и вызывают отражение проходящих через покрытие фононов.
В предпочтительном варианте реализации способ включает в себя выбор металлических частиц, в том числе подбор размера металлических частиц на основе диапазона температур, в котором нужно контролировать перенос тепла.
В предпочтительном варианте реализации способ включает в себя выбор матрицы, при котором матрицу выбирают так, чтобы коэффициент теплового расширения матрицы по существу совпадал с коэффициентом теплового расширения подложки.
В предпочтительном варианте реализации способа сборка металлических частиц в трехмерную упорядоченную структуру включает в себя покрытие металлических частиц стекловидным составом и вплавление покрытия в по существу гомогенную матрицу.
В предпочтительном варианте реализации способа сборка металлических частиц в трехмерную упорядоченную структуру включает в себя: нанесение смеси металлических частиц и материала матрицы на подложку; и вплавление материала матрицы в по существу гомогенную матрицу, удерживающую металлические частицы в трехмерной упорядоченной структуре.
В предпочтительном варианте реализации способа вплавление материала матрицы выполняют путем нагревания смеси по меньшей мере до температуры плавления материала матрицы.
В предпочтительном варианте реализации способа сборка металлических частиц в трехмерную упорядоченную структуру включает в себя разнесение частиц на расстояния друг от друга, что приводит к интерференции между фононами, переносящими тепло через покрытие.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается термобарьерное покрытие для нанесения на деталь летательного аппарата, содержащее матрицу стекловидного состава, выбранную из группы, содержащей плавленый кварц, натриево-кальциево-силикатное стекло, боросиликатное стекло и алюмосиликатное стекло; квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру из металлических наночастиц сферической формы, удерживаемых в матрице, и выбранных из группы, содержащей вольфрам и кобальт; при этом металлические частицы имеют теплопроводность по существу выше, чем теплопроводность матрицы, и расположены на расстоянии друг от друга, по существу равном длине волны фононов, переносящих тепловую энергию через матрицу.
В соответствии еще с одним аспектом изобретения предлагается способ формирования теплового барьера на деталях аэрокосмического аппарата, включающий в себя выбор температурного диапазона, в пределах которого тепловой барьер должен снижать проходящую через деталь тепловую энергию; выбор металлических наночастиц для использования в покрытии, в том числе выбор материала наночастиц и определение размера наночастиц на основе выбранного диапазона температур; основываясь на теплопроводности выбранного материала наночастиц, выбор материала матрицы стекловидного состава, в котором могут удерживаться наночастицы; формирование оболочек из стекловидного состава вокруг наночастиц путем напыления порошка стекловидного состава на наночастицы; формирование пастообразной смеси путем смешивания растворителя с покрытыми наночастицами; нанесение пастообразной смеси на поверхность детали; самосборка покрытых наночастиц в квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру, включая выпаривание растворителя из пастообразной смеси; и формирование по существу гомогенной матрицы для крепления трехмерной упорядоченной структуры из наночастиц и связывание матрицы с поверхностью детали путем сплавления оболочек стекловидного состава, заключающееся в нагревании стекловидного состава по меньшей мере до температуры плавления.
Приведенные варианты реализации изобретения отвечают таким требованиям к покрытию, как низкая стоимость, долговечность и высокие эксплуатационные характеристики, что позволяет широко использовать заявленное термобарьерное покрытие для контроля переноса тепловой энергии через подложку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1. Схематичный вид подложки в разрезе, иллюстрирующий нанесенное на подложку термобарьерное покрытие в соответствии с вариантами реализации заявленного изобретения.
Фиг. 2. Схематичное изображение установки двигателя на летательный аппарат, заключающейся в креплении теплового экрана с нанесенным на него термобарьерным покрытием. Вид сбоку.
Фиг. 3. Схематичный вид подложки в разрезе, подобный варианту реализации, изображенному на фиг. 1, дополнительно иллюстрирующий использование термобарьерного покрытия для снижения уноса тепловой энергии с подложки.
Фиг. 4. Схематичное изображение термобарьерного покрытия, нанесенного между двумя подложками. Вид сбоку.
Фиг. 5. Схема термобарьерного покрытия, подобное изображению на фиг. 4, дополнительно иллюстрирующее два термобарьерных покрытия между тремя подложками для контроля переноса тепловой энергии в пределах двух различных диапазонов температур.
Фиг. 6. Схематичное изображение подложки с тремя расположенными одно над другим термобарьерными покрытиями для соответствующего контроля переноса тепловой энергии в трех различных диапазонах температур. Вид в разрезе.
Фиг. 7. Схематичное изображение в перспективе термобарьерного покрытия, в котором металлические наночастицы расположены в виде квазирегулярной трехмерной упорядоченной структуры.
Фиг. 8. Схематичное изображение покрытых составом наночастиц, расположенных в виде упорядоченной структуры до вплавления в по существу гомогенную стеклоэмаль. Вид сверху.
Фиг. 9. Изображение диаграммы, используемой для объяснения уменьшения переноса тепловой энергии по механизму фононной интерференции.
Фиг. 10. Схематичное изображение подложки с нанесенным термобарьерным покрытием, в которой покрытие содержит слои с наночастицами различного размера для контроля переноса тепловой энергии в трех различных диапазонах температур. Вид в разрезе.
Фиг. 11. Блок-схема процесса оптимизации и способа нанесения термобарьерного покрытия.
Фиг. 12. Блок-схема процесса регулирования потока тепла через подложку.
Фиг. 13. Блок-схема методологии производства и обслуживания летательного аппарата.
Фиг. 14 Блок-схема летательного аппарата.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Н
L
В соответствии с фиг. 1, раскрытые варианты реализации изобретения относятся к термобарьерному покрытию 30, которое может быть нанесено на подложку 34, чтобы осуществлять контроль переноса тепла 36 (которое в заявке также может называться «тепловая энергия»), из области с более высокой температурой Т в область с более низкой температурой T. В примере на фиг. 1 термобарьерное покрытие 30 предназначено для уменьшения количества тепла 36, которое достигает подложки 34. Как будет более подробно показано далее, термобарьерное покрытие 30 может представлять собой относительно тонкий, прочный слой (или слои) материалов, который уменьшает перенос тепловой энергии 36 в виде тепловых квантов, называемых фононами, из-за интерференции с потоком фононов через покрытие 30, вследствие чего образуется барьер, который по существу уменьшает тепловую энергию 36, переданную на подложку 34. Фононы - это квазичастицы, характеризующиеся квантованием мод колебаний решетки упругих периодических кристаллических структур твердых тел. Фононы можно рассматривать в качестве волнового пакета, проявляющего свойства частиц.
Предлагаемое термобарьерное покрытие 30 нашло широкое применение в различных отраслях, например оно чрезвычайно широко применяется в аэрокосмической промышленности. К примеру, на фиг. 2 приведен вариант использования покрытия 30 в аэрокосмической отрасли. Реактивный двигатель 38 установлен на крыло 40 летательного аппарата с помощью пилона 42. Металлический тепловой экран 44 защищает пилон 42 от перегрева, вызванного горячими выхлопными газами, поступающими из двигателя 38 на 46. Заявленное термобарьерное покрытие 30 можно нанести на внешние поверхности теплового экрана 44, чтобы снизить количество тепловой энергии на тепловом экране 44. В результате созданного покрытием теплового барьера можно формировать тепловой экран меньшего веса и/или из менее дорогих материалов, которые обычно не выдерживают прямого воздействия температур горячих выхлопных газов двигателя 38. Известен пример, не ограничивающий притязаний, когда при отсутствии термобарьерного покрытия 30 возникает необходимость использовать тепловой щит 44, изготовленный из титана, чтобы выдержать воздействие горячих выхлопных газов двигателя 38. А с термобарьерным покрытием 30 тепловой щит может быть изготовлен из менее дорогого и/или легкого материала, такого как алюминий или композит.
Среди прочих известны и другие примеры использования покрытия 30 в аэрокосмической промышленности, из которых приведем лишь некоторые: на деталях вблизи вспомогательной силовой установки, на горячих деталях гидравлических систем, на гондолах двигателей, на поверхностях титановых сопел, на турбинных лопатках и стенках камер сгорания. Заявленное термобарьерное покрытие можно использовать и в других отраслях промышленности, например для оплетки криогенных кабелей (не показаны) внутри двухстеночной вакуумной системы (не показана). Такое использование термобарьерного покрытия 30 может снизить необходимость поддерживать вакуум, что приводит к значительному снижению производственных и операционных расходов.
На фиг. 3 приведен еще один пример, в котором термобарьерное покрытие 30 с толщиной t используют для ограничения количества тепловой энергии (тепла) 36, покидающего подложку 34, на которую нанесено покрытие 30. В этом примере направления переноса тепловой энергии противоположно направлению, показанному на фиг. 1. Помимо уменьшения потока тепловой энергии 36 через покрытие 30 толщиной t, покрытие 30 эффективно снижает перенос тепловой энергии в плоскости внутри покрытия 30 в направлении, отмеченном стрелкой 36а на фиг. 3, а также в других направлениях.
На фиг. 4 показан вариант термобарьерного покрытия 30, который, в отличие от изображенного на фиг. 1 и фиг. 3 поверхностного покрытия, используют в качестве внутреннего слоя 35 между двумя подложками 34 и 34а. Подложки 34 и 34а, прилегающие к термобарьерному покрытию 30, могут быть из любого материала, в том числе из металлов или из композитных материалов.
r1
r2
Для контроля переноса тепловой энергии через одну или несколько подложек 34 можно и использовать несколько (более одного) термобарьерных покрытий 30. Например, на фиг. 5 два термобарьерных покрытия 30 и 30′ соответствующим образом расположены между двумя наружными подложками 34, 34b и средней подложкой 34а. В зависимости от конкретного использования два термобарьерного покрытия 30, 30′ могут быть по существу одинаковыми или могут отличаться по материалам и/или характеристикам, используемым для контроля переноса тепловой энергии в двух различных температурных диапазонах T и T.
r1
r2
r3
На фиг. 6 приведен еще один пример реализации термобарьерного покрытия 30. В этом примере покрытие содержит три распложенных друг над другом слоя 30а, 30b, 30с, в которых могут быть использованы различные материалы и/или которые могут иметь различные характеристики, что приводит к тому, что три слоя 30а, 30b, 30с контролируют перенос тепловой энергии в покрытии 30, соответственно, в различных температурных интервалах T, T, T.
Обратимся теперь к фиг. 7 и фиг. 8, на которых покрытие 30 содержит квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру отдельных наноразмерных частиц 60, которые заделаны и удерживаются в матрице 66, которая может содержать силикатный состав.
Используемые термины «трехмерная упорядоченная структура» и «квазирегулярная упорядоченная структура» означают трехмерную упорядоченную структуру, в которой наночастицы расположены в виде трехмерной упорядоченной структуры и в основном разделены промежутками с постоянной величиной межчастичного расстояния D, но в которой могут существовать такие несовершенства структуры как, например, зазоры, межчастичные расстояния, которые не постоянны, а также могут отсутствовать наночастицы 60, и т.д.
На фиг. 8 изображены наночастицы 58 на промежуточной стадии изготовления покрытия, когда на отдельные наночастицы 60 нанесен слой стекловидного (силикатного) состава, образующего оболочки 62 вокруг наночастиц 60. Металлические наночастицы 60 могут содержать вольфрам или кобальт и могут быть сферической формы, хотя возможны и другие металлы и другая геометрия частиц. Размер наночастиц 60 и расстояние D (фиг. 9) между частицами в упорядоченной структуре 56 зависят от длины волны λ фононов 64, которая, в свою очередь, определяется температурой или диапазоном температур, в пределах которых предназначено работать термобарьерное покрытие. Для определения межчастичного расстояния D в упорядоченной структуре используют среднюю величину свободного пробега фононов в покрытии 30. Средний свободный путь частицы - это среднее расстояние, которое она преодолевает от столкновения до столкновения.
Материалы, выбранные для связующей матрицы 66, должны характеризоваться величиной длины свободного пробега, по меньшей мере равной длине волны фононов λ, чтобы предотвратить рассеяние фононов на дислокационных дефектах материала. Соотношение атомных масс связующей матрицы 66 и наночастиц 60 должно быть максимально большим, исходя из практических соображений, а податливость материала матрицы можно оптимизировать так, чтобы получить большой коэффициента захвата фононов в покрытии 30. В одном из вариантов реализации изобретения соотношение атомных масс наночастиц 60 и матрицы 66, как минимум, примерно равно 10.
Покрытие 30 может иметь толщину t, достаточную для компенсации дислокационных дефектов или ошибок процесса самособрки. Составы, используемые в качестве матрицы 66, можно выбирать так, чтобы коэффициент теплового расширения покрытия 30 по существу соответствовал коэффициенту теплового расширения подложки 34, на которую его наносят. Эксплуатационные характеристики покрытия 30 могут зависеть от соотношения атомных масс, величин теплопроводности, упругих постоянных и геометрии композитной конструкции. Чем больше различаются две атомные массы в сверхструктуре, тем более сверхструктура действует как фононное зеркало, отражая тепло вследствие того, что существует значительная разница в величинах упругих постоянных матрицы 66 и наночастиц 60.
2
2
2
2
3
2
2
3
2
2
2
2
2
3
2
2
3
2
3
2
Используемые в заявке термины «стекло», «стекловидный», «стекловидный состав» и «силикатный состав» относятся к составам, содержащим двуокись кремния. В одном из вариантов реализации изобретения матрица 66 может содержать стекловидный состав, например, (без ограничения притязаний) можно перечислить некоторые из таких соединений: керамика, плавленый кварц, натриево-кальциево-силикатное стекло, боросиликатное стекло и алюмосиликатное стекло. Плавленый кварц может содержать аморфную двуокись кремния SiO, а натриево-кальциево-силикатное стекло может содержать SiO, NaO, СаО, AlO и MgO. Боросиликатное стекло может содержать SiO, BO, NaO, KO и СаО. Алюмосиликатное стекло может включать в себя SiO, NaO, СаО, AlO и MgO. Боросиликатное стекло может содержать SiO, BO, AlO, NaO, MgO и СаО. Плавленый кварц и плавленый кремнезем - это виды стекла, содержащие в основном двуокись кремния в аморфном виде. Натриево-кальциево-силикатное стекло, также называемое натриево-известковое стекло - это наиболее часто встречающийся сорт стекла, обычно используемый для оконных стекол и стеклотары.
Для формирования стеклоэмали, используемой в качестве матрицы 66, можно применять хорошо известные и надежные технологии производства стекла. Подходящие керамики могут содержать оксиды, безоксидные соединения и композиты. Типичная керамика включает в себя оксинитрид алюминия, волокна кварцевого стекла и кварцевый аэрогель. Эти три типа керамики характеризуются максимальной температурой безопасной эксплуатации приблизительно от 1150°F до 1200°F [(от 621 до 648°C)]. Матрица 66, содержащая упомянутый выше силикатный состав, может быть в виде стеклянной фритты. Под действием тепла стеклянная фритта плавится, формируя стеклообразное эмалевое покрытие, которое характеризуется дешевизной, долговечностью, проявляет хорошие адгезионные свойства и легко связывается с поверхностью керамических металлооксидов. Эмалевое покрытие может также обладать нужными квантовыми свойствами и может эксплуатироваться до температур около 1400°F ([760°C]).
Н
L
На фиг. 9 частично показана трехмерная упорядоченная структура 56 с заделанными в нее наночастицами 60, полученная на стадии изготовления, когда внешние оболочки 62 (фиг. 8) вплавили в по существу гомогенную стекловидную матрицу 66. Поток баллистических фононов 64 через покрытие 30 прерывается, когда фононы 64 переходят из более горячих зон Т в более прохладные зоны T внутри покрытия 30. Такое прерывание потока обусловлено множеством границ раздела 65 между исходной матрицей 66 и наночастицами 60, которые соответственно характеризуются существенно различными значениями теплопроводности.
Фононы 64, сталкиваясь с наночастицами 60, частично отражаются так, как показано стрелками 70. Если расстояние между наночастицами 60 близко к величине длины волны λ фононов 64, отражения 70 могут интерферировать друг с другом. Результаты интерференции складываются, формируя суммарное отражение, которое уменьшает поток тепловой энергии через покрытие 30 и снижает его эффективную теплопроводность. Разница величин теплопроводности матрицы 66 и частиц 60, приводящая к интерференции отражений 70 фононов 64, может зависеть от соотношения масс, от эффективного коэффициента жесткости матрицы, от дисперсии и рассеяния фононов в матрице при малых длинах пробега, а также от относительной периодичности наночастиц 60. Следует отметить, что трехмерное пространственное расположение наночастиц 60, а также выбранное межчастичное расстояние D (фиг. 8) создают необходимое отражение фононов 64, невзирая на направление потока фононов 64 через покрытие 30.
На фиг. 10 более подробно показано многослойное покрытие 30, подобное тому, что обсуждалось ранее по фиг. 6. В этом примере каждый слой 30а, 30b и 30с содержит квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру наночастиц 60а, 60b и 60с, заделанных в стекловидную матрицу (фиг. 9), при этом каждый отдельный слой 30а, 30b, 30с «настроен» на конкретную ширину зоны, которая уменьшает перенос тепловой энергии в конкретном температурном диапазоне. Настройка слоев 30а, 30b, 30с может заключаться в определении набора параметров конструкции трехмерной упорядоченной структуры, таких как период (межчастичное расстояние), размер частиц, соотношение масс, величина упругой постоянной, плотности рассеяния, и т.д.
Приведем не ограничивающий притязаний пример реализации изобретения. Для того, чтобы снизить перенос тепловой энергии в температурном диапазоне примерно с 1000°F до 500°F [(с 538 до 260°C)], для настройки верхнего слоя 30а может потребоваться величина периода (т.е. расстояния между наночастицами 60) от 10 до 20 nm. Для настройки среднего слоя 30b на диапазон температур примерно с 500°F до 200°F [(с 260 до 93°C)] может потребоваться период структуры величиной приблизительно от 20 nm до 50 nm, а для настройки самого нижнего слоя 30с на диапазон температур примерно с 250°F до 100°F [(121 до 38°C)] могут потребоваться наночастицы с периодом структуры примерно от 50 nm до 100 nm.
Теперь обратимся к фиг. 11, на которой показан вариант реализации изобретения, иллюстрирующий все стадии способа регулирования тепла через подложку 34 с помощью термобарьерного покрытия 30, а также способ изготовления покрытия 30. Начиная со стадии 72, выбирают одну или несколько определенных температур или один или несколько температурных диапазонов для конкретного варианта использования. Определенные температуры - это температуры, на которые рассчитано термобарьерное покрытие 30 для контроля тепловой энергии, проходящей через подложку 34. В зависимости от температур, определенных на стадии 72, на стадии 74 выбирают материал матрицы, а на стадии 76 - материал наночастиц. Выбор материалов матрицы и наночастиц на стадиях 74 и 76 основан по меньшей мере частично на температурных диапазонах, определенных на стадии 72. Материал матрицы и материал наночастиц на стадиях 74 и 76 выбирают так, чтобы они характеризовались по существу различными значениями теплопроводности. Размер наночастиц 60 выбирают так, чтобы получившееся в результате расстояние D (фиг. 8) между частицами 60 по существу соответствовало длине волны фононов 64, переносящих тепло на подложку 34. Материал матрицы можно выбирать так, чтобы он обладал коэффициентом теплового расширения, по существу соответствующим коэффициенту теплового расширения подложки 34. Затем на стадии 78 на выбранные наночастицы 60 наносят материал матрицы, используя различные способы, включающие в себя (не ограничивая притязаний) распыление материала матрицы на наночастицы 60. Затем на стадии 80 можно получить пастообразную смесь, помещая покрытые материалом матрицы наночастицы 58 (фиг. 8) в растворитель или гель (не показано), что заставляет наночастицы 58 самоорганизовываться в квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру. На стадии 82 пастообразную смесь наносят на подложку 34, используя подходящий метод, например, путем размазывания пастообразной смеси по подложке 34 или погружая подложку 34 в пастообразную смесь.
На стадии 84 растворитель или гель выпаривают из пастообразной смеси на подложке 34, что вызывает самосборку наночастиц 58 в квазирегулярную трехмерную упорядоченную структуру. Вместо самосборки наночастиц 58 в трехмерную упорядоченную структуру с помощью описанного выше способа с помощью раствора, можно добиться самосборки, используя альтернативный способ сухого электростатического осаждения. Наконец, на стадии 86 оболочки 62 вокруг наночастиц 60 сплавляют вместе, формируя по существу гомогенную матрицу 66, спекая наночастицы 58. Спекание и сплавление оболочек 62 из материала матрицы можно осуществить, либо нагревая наночастицы 58 в печи для расплавления и сплавления стекловидных, напоминающих фритту, оболочек 62, либо с помощью лазера расплавить оболочки 62 в эмалевую пленку, которая сцепляется с поверхностью подложки 34. Использование лазера для сплавления оболочек 62 позволяет снизить рабочие температуры, что позволяет наносить термобарьерное покрытие на композитные конструкции (не показаны), например, на композиты из эпоксидной смолы с добавлением графита. Покрытие 30 можно нанести на подложку 32 путем погружения, распыления или с помощью других подходящих способов.
На фиг. 12 показаны стадии способа управления потоком тепла через подложку с помощью термобарьерного покрытия 30, полученного способом, описанным ранее на фиг. 11. Начиная со стадии 87, выбирают температуру или температурный диапазон, в котором будет работать термобарьерное покрытие 30. На стадии 89 определяют материал для металлических частиц 60 и матрицы 66. Эти два материала выбирают так, чтобы они по существу отличались по величинам теплопроводности. На стадии 91 размер металлических частиц 60 и расстояние между ними в трехмерной упорядоченной структуре выбирают так, чтобы они могли служить препятствием для фононов 64, проходящих через покрытие 30 в по существу любом направлении. Как уже ранее упоминалось, расстояние между частицами 60 выбирают так, чтобы оно было по существу равно длине волны фононов в выбранном диапазоне температур, так чтобы отражения фононов интерферировали. Покрытие 30 формируют на подложке 34 на стадии 93, следуя ранее описанному способу изготовления и нанесения покрытия 30. На стадии 95 используют частицы 60 для внутреннего отражения фононов 64, протекающих через покрытие 30 по существу с любого направления, благодаря чему уменьшается перенос тепловой энергии через подложку 34.
Варианты реализации изобретения могут найти разнообразное применение, в частности, в транспортной промышленности, в том числе, например, в аэрокосмической отрасли, а также в сфере морского и автомобильного транспорта. Так, из фиг. 13 и фиг. 14 видно, что варианты реализации заявленного изобретения можно использовать в контексте способа 90 (фиг. 13) изготовления и обслуживания летательного аппарата 92 (фиг. 14). Авиатехническое применение вариантов реализации заявленного изобретения может, к примеру, включать в себя широкий ассортимент конструктивных и несущих узлов и деталей, требующих защиты от воздействия высоких температур. На стадии подготовки производства типичный способ 90 может включать в себя определение технических условий и конструкции 94 летательного аппарата 92 и требований к материальному снабжению. Во время производства имеют место изготовление 98 деталей и сборочных узлов, интеграция 100 систем летательного аппарата 92. Затем летательный аппарат 92 может проходить сертификацию и доведение 102 для ввода в эксплуатацию 104. Во время эксплуатации заказчиком для летательного аппарата 92 предусмотрены регламенты планового технического обслуживания 106 (которые могут также включать в себя модификацию конструкции, переналадку систем, техническое обновление и т.п.).
Каждый из процессов способа 90 может быть выполнен системным интегратором, третьей стороной и/или оператором (например, заказчиком). В целях представленного в заявке описания под системным интегратором можно понимать (без ограничений объема притязаний) любое количество производителей авиационной техники и субподрядчиков по изготовлению основных систем; понятие третья сторона может включать в себя (без ограничений объема притязаний) любое количество продавцов, субподрядчиков или поставщиков; а под понятием оператор может пониматься авиационное предприятие, лизинговая компания, военная организация, организация технического обслуживания, и т.п.
Как видно из фиг. 14, летательный аппарат 92, изготовленный заявленным способом 90, может включать в себя корпус 108 со множеством систем 110 и внутренним оборудованием 112. Примеры систем 110 высокого уровня включают в себя одну или несколько двигательных установок 114, бортовую электрическую сеть 116, гидравлическую систему 118 и систему 120 контроля окружающей среды. Также может присутствовать и любое количество других систем. Заявленное покрытие можно наносить на узлы и детали, используемые на внутреннем оборудовании 112, на корпусе 108 летательного аппарата, либо на любой из систем 110. Хотя в заявке показан вариант использования в аэрокосмической технике, принципы изобретения могут быть использованы в целом ряде других отраслей, включая (при этом не ограничиваясь только ими) отрасли морского и автомобильного транспорта, а также системы энергоснабжения и распределения энергии.
Приведенные в заявке системы и методы могут применяться при использовании способа 90 производства и обслуживания на любой из его одной или нескольких стадий. Например, детали, конструкции и узлы, соответствующие процессу 198 производства, можно изготовить таким же образом, что и детали, конструкции и узлы, изготавливаемые во время нахождения летательного аппарата 92 в эксплуатации. Кроме того, на стадиях производства 98 и 100 может быть реализовано один или несколько вариантов устройства, способа или их комбинации, например, по существу для облегчения сборки или уменьшения стоимости летательного аппарата 92. Аналогичным образом, один или несколько вариантов устройства, способа или их комбинации могут быть осуществлены во время эксплуатации летательного аппарата 92, например, (не ограничивая притязаний) при его техническом обслуживании 106.
Несмотря на то, что заявляемое изобретение описано в отношении конкретных вариантов его реализации, следует понимать, что конкретные варианты реализации изобретения приведены для иллюстративных целей и не призваны ограничить объем притязаний, так что специалисту в соответствующей области техники следует учесть возможность существования и других вариантов