СХЕМА ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ГРАДИЕНТНОГО ПОРИСТОГО УГЛЕРОД-КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Область техники
Полезная модель относится к теплозащитным композиционным покрытиям, которые могут быть использованы в авиационной и ракетно-космической технике.
Уровень техники
Известен ряд патентов на теплозащитные покрытия для защиты аэрокосмических летательных аппаратов, а именно: RU 2497783, RU 2482146.
Однако, все эти покрытия слабо коррелируют с предлагаемой полезной моделью.
Известна авторская статья «Прогнозирование теплофизических и термомеханических характеристик пористых углерод-керамических композиционных материалов тепловой защиты аэрокосмических летательных аппаратов», опубликованная Инженерно-физическом журнале, 2015, ТОМ 88, №3 (МАЙ-ИЮНЬ), в рамках соглашения о предоставлении субсидии №14.577.21.0099 между Министерством образования и науки Российской Федерации и МГТУ им. Н.Э. Баумана, где представлены результаты исследований теплофизических и термомеханических характеристик пористых углерод-керамических композиционных материалов (УККМ) тепловой защиты аэрокосмических летательных аппаратов.
Однако в этой статье не представлены конкретные результаты в виде описания многослойной схемы теплозащитного покрытия на основе градиентного пористого УККМ..
Раскрытие полезной модели
Неабляционное (неуносимое) термостойкое теплозащитное покрытие с максимальной рабочей температурой в окислительной среде до 2000 К состоит из слоев тканого и нетканого углеродного каркаса и матрицы, содержащей углеродную и карбидокремниевую составляющие, и относится к покрытиям из существенно анизотропных материалов с разными по уровню физико-механическими и теплофизическими характеристиками как слоев, так и по толщине материала. Предлагается покрытие, состоящее из пяти последовательно расположенных слоев: первый наружный (фронтальный) слой из углерод-керамического композиционного материала (УККМ) на основе тканого углеродного каркаса с остаточной пористостью менее 5% и толщиной от 3 до 5 мм для обеспечения термостойкости и окислительной стойкости, второй слой под первым слоем толщиной не менее 5 мм из углерод-керамического композиционного материала на основе нетканого углеродного каркаса с остаточной пористостью не менее 18%, третий слой под вторым слоем толщиной не менее 5 мм из углерод-керамического композиционного материала на основе нетканого углеродного каркаса с остаточной пористостью не менее 22%, четвертый слой под третьим слоем толщиной не менее 5 мм из углерод-керамического композиционного материала на основе нетканого углеродного каркаса с остаточной пористостью не менее 38%, пятый слой под четвертым слоем толщиной не менее 5 мм из углерод-керамического композиционного материала на основе нетканого углеродного каркаса с остаточной пористостью не менее 48%. Теплозащитное покрытие сохраняет свою работоспособность при по крайне мере 10 циклах нагружения с продолжительностью каждого цикла не более 5 минут в окислительной среде при температуре 2000 К.
В качестве наполнителя для теплозащитного материала на основе градиентного пористого УККМ могут использоваться углеродные волокна из искусственного целлюлозного волокна, углеродные волокна из ПАН-волокна и углеродные волокна из пека.
Перечень фигур
Фиг. 1 - Фотография микроструктуры слоя УККМ.
Фиг. 2 - Геометрическая модель представительного элемента микроструктуры УККМ на основе углеродной ткани полотняного плетения с остаточной пористостью 20%.
Фиг. 3 - Геометрические модели представительного элемента микроструктуры УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 20 (а), 25 (б), 40 (в) и 50% (г)
Фиг. 4 - Изменение коэффициентов теплопроводности УККМ на основе нетканого каркаса в зависимости от его остаточной пористости вдоль осей X и Y в плоскости армирования и вдоль оси Z в направлении, перпендикулярном плоскости армирования
Фиг. 5 - Изменение коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) УККМ на основе нетканого каркаса в зависимости от его остаточной пористости вдоль осей X и Y в плоскости армирования и вдоль оси Z в направлении, перпендикулярном плоскости армирования.
Фиг. 6 - Перепад температур по толщине экспериментальных образцов из УККМ при действии эксплуатационных нагрузок, К.
Осуществление полезной модели
В соответствии с техническим заданием на прикладные научные исследования (ПНИ) в рамках соглашения о предоставлении субсидии №14.577.21.0099 между Министерством образования и науки Российской Федерации и МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве экспериментальных образцов теплозащитных покрытий из слоев пористых и градиентных термостойких УККМ рассматривались:
- плоские образцы размером 50×50 мм и толщиной 5 мм;
- цилиндрические образцы диаметром 70 мм и высотой 70 мм.
В качестве образцов элементов конструкций покрытий из пористых и градиентных термостойких УККМ рассматривались:
- элементы конструкций конической формы диаметром 100 мм и высотой 200 мм;
- элементы конструкций цилиндрической формы диаметром до 100 мм и высотой до 200 мм.
На фиг. 1, 2, 3 представлены соответственно: фотография микроструктуры слоя УККМ; геометрическая модель представительного элемента микроструктуры УККМ на основе углеродной ткани полотняного плетения с остаточной пористостью 20%; а также геометрические модели представительного элемента микроструктуры УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 20 (а), 25 (б), 40 (в) и 50% (г). Геометрические модели использовались в ходе компьютерного моделирования термо-механических процессов в образцах покрытий с целью оценки теплофизических и термомеханических характеристик УККМ. В качестве наполнителя для теплозащитного материала на основе градиентного пористого УККМ могут использоваться углеродные волокна из искусственного целлюлозного волокна, углеродные волокна из ПАН-волокна и углеродные волокна из пека.
На основе параметрического моделирования были получены расчетные данные по теплофизическим и термомеханическим характеристикам УККМ на основе тканого и нетканого армирующего каркаса в зависимости от остаточной пористости, которые представлены в таблице 1, 2 и на фиг. 4, 5.
-1
На фиг. 4 представлены расчетные данные по изменению коэффициентов теплопроводности УККМ на основе нетканого каркаса в зависимости от остаточной пористости (оси X, Y - в плоскости армирования, ось Z - перпендикулярно плоскости армирования), а на фиг. 5 - расчетные данные по изменению КЛТР УККМ на основе нетканого каркаса в зависимости от остаточной пористости (оси X, Y - в плоскости армирования, ось Z - перпендикулярно плоскости армирования), К
Полученные результаты позволили оценить взаимосвязь теплофизических и термомеханических характеристик, плотности УККМ от остаточной пористости. На основе расчетных данных по параметрическому анализу была проведена оценка распределения температур в экспериментальных образцах и опытных образцах элементов конструкций для обеспечения минимальной температуры на тыльной поверхности и массы градиентной теплозащиты.
Для расчета распределения температур в образцах и образцах элементов конструкций, расчета напряженно-деформированного состояния с различным типом структуры УККМ использовался метод математического моделирования - метод конечных элементов. На основе геометрических моделей были построены конечно-элементные модели, причем, для получения сетчато-независимых решений проводился расчет на сетках с разной степенью дискретности элементов.
На фиг.6 представлены графики градиентов температур по толщине экспериментальных образцов из УККМ при действии эксплуатационных нагрузок, К.
Для оценки массовой эффективности вместе с теплоизолирующей способностью проводилось сравнение массы экспериментальных образцов из разных типов УККМ. Были получены следующие значения по массе экспериментальных образцов:
- УККМ на основе тканого каркаса без остаточной пористости: 0,0227 кг;
- УККМ на основе тканого каркаса с остаточной пористостью: 0,0205 кг;
- УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 20%: 0,0192 кг;
- УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 25%: 0,0173 кг;
- УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 40%: 0,0151 кг;
- УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 50%: 0,0142 кг.
Результаты позволили выявить закономерности влияния типа УККМ на теплоизоляционные свойства и массовую эффективность экспериментальных образцов. Определено, что наименьшую массу и наибольшую теплоизоляционную способность обеспечивает УККМ на основе нетканого каркаса с остаточной пористостью 50%, однако, данный материал обладает невысокими прочностными характеристиками, в сравнении с УККМ на основе тканого каркаса, который имеет наибольшую плотность. В связи с чем, для рационального и эффективного проектирования систем многоуровневой защиты неохлаждаемых теплонапряженных элементов конструкций ракетно-космической техники из УККМ необходимо осуществлять чередование слоев материала с разной плотностью для создания градиентных структур. Для решения данной задачи было необходимо осуществить моделирование температурного и напряженно-деформированного состояния градиентной структуры, которое позволит оценить вклад каждого слоя, а также влияние различных термических и теплофизических характеристик на общую работоспособность.
Использование наружного слоя на основе тканого углеродного каркаса с остаточной пористостью менее 5% (то есть практически без остаточной пористости) и толщиной от 3 до 5 мм обусловлено необходимостью обеспечения термостойкости и работоспособности градиентного материала при воздействии значительных температурных, силовых и окислительных нагрузок на фронтальную поверхность. Выбор последовательности слоев от сильно пористого до максимально плотного обусловлена технологическими особенностями процесса уплотнения карбидокремниевой матрицей, где в процессе получения слоев покрытия можно управлять зоной осаждения слоев.
С учетом полученных многочисленных экспериментальных результатов, компьютерного моделирования в экспериментальных образцах пористых и градиентных УККМ распределений температурных полей, температурных перемещений, термонапряжений в различных направлениях и плоскостях, и данных по массе был выбран удовлетворяющий требованиям технического задания вариант комбинации слоев УККМ с тканым и нетканым армирующим каркасом для создания эффективной тепловой защиты объектов ракетно-космической техники, который и представлен в формуле и раскрытии предлагаемой полезной модели. Предлагаемое покрытие должно выдерживать не менее чем 10 циклов теплового нагружения в окислительной среде продолжительностью до 5 минут каждый при уровне температуры 2000 К.
На последующих этапах ПНИ по соглашению №14.577.21.0099 предстоит изготовление опытных образцов данной схемы покрытия и их натурные испытания.