CC BY
21
ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В СОСТАВЕ РАЗРУШАЮЩЕГОСЯ _ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ_
УДК 544.032.4
ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В СОСТАВЕ РАЗРУШАЮЩЕГОСЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ
ВАХРУШЕВ А.В., *СЕРМЯГИН КВ.
Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г.Ижевск, ул.Т.Барамзиной, 34 *Ижевский государственный технический университет, 426069, г.Ижевск, ул.Студенческая 7
АННОТАЦИЯ. Рассмотрена возможность применения разрушающегося теплозащитного покрытия с использованием углеродных нанотрубок и наноструктур, заполненных металлом. Приводится описание принципа работы теплозащитного покрытия. Методами молекулярной динамики исследовано поведение углеродной нанотрубки, заполненной атомами меди, при высокотемпературном нагреве, и дан анализ изменения температуры наносистемы в процессе её разрушения.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нанотрубка, наноструктурный материал, металлический наполнитель, теплозащитное покрытие, тепловая нагрузка.
ВВЕДЕНИЕ
Применение энергонасыщенных топлив и тенденция к увеличению давления в камере сгорания приводят к росту тепловых нагрузок на все элементы конструкции энергетических установок различного назначения. Одним из способов обеспечения тепловой защиты элементов конструкций теплонапряженных узлов различных энергетических установок является применение активных методов (вдув охладителя через проницаемые стенки, применение активных ТЗП), способных эффективно снимать тепло.
Использование разрушающихся теплозащитных систем имеет существенные преимущества перед другими способами тепловой защиты. Главное из них заключается в саморегулировании процесса, т.е. в изменении массового расхода материала покрытия при изменении тепловой нагрузки [1-2].
Целью исследования является определение возможности применения наноструктурного материала на основе нанотрубок и других наноструктур, заполненных металлом, в качестве разрушающегося теплозащитного материала, работающего в условиях высокотемпературных и высокоскоростных потоков продуктов сгорания.
СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ НАНОПОКРЫТИЯ
Покрытие, характеризующееся наличием наноструктур, представляет собой тепловую защиту с комбинированным уносом массы (абляцией). Покрытия такого типа представляют собой тугоплавкий пористый каркас, содержащий разлагающийся наполнитель, заполняющий пространство внутри каркаса. В нашем случае каркас представляют собой углеродные нанотрубки или другие наночастицы (рис.1). Наполнителем могут выступать металлы и сплавы с низкой температурой плавления, но с высокой теплотой плавления и испарения. В качестве такого металла могут выступать различные металлы, способные к инкапсуляции внутрь углеродной нанотрубки и других наночастиц, например Си, А1, Fe, Ве [3].
В результате воздействия теплового потока на поверхность теплозащитного покрытия происходит его прогрев. Качественная картина распределения температуры по толщине стенки в различные моменты времени изображена на рис. 2 [2].
1 - углеродная нанотрубка; 2 - заполненная атомами металла Рис.1. Элемент наноструктурного теплозащитного покрытия
1(1) < 1С2) <t (3) < 1С4) < 1(5)
Рис. 2. Приближенное распределение температуры по толщине стенки в различные моменты времени
Комбинированный унос массы предполагает разрушение теплозащитного покрытия по двухступенчатой периодической схеме. Сначала происходит разрушение поверхностно расположенного наполнителя; затем по мере разрушения наполнителя все большая часть каркаса обнажается, что при дальнейшем воздействии теплового потока приводит к разрушению обнаженного (без наполнителя) слоя каркаса. При этом прогрев поверхностно расположенного наполнителя имеет 2 периода:
1. При т <тТ температура поверхности монотонно возрастает, пока не достигнет температуры разрушения ТР. Здесь т - текущее время, тТ - момент времени, при котором температура поверхностно расположенного наполнителя достигает температуры разрушения ТР .
2. При т > тТ наполнитель плавится и практически мгновенно уносится набегающим потоком газа.
При достижении поверхностью теплозащитного покрытия температуры разрушения в условиях высокотемпературных и высокоскоростных потоков продуктов сгорания наблюдается явление уноса некоторого количества массы, а вместе с ней и теплоты, вследствие чего происходит незначительное снижение температуры и перестраивание температурного поля. Качественная картина профиля температуры теплозащитного покрытия на различной глубине от его поверхности приведена на рис. 3.
Унос массы ведет к уменьшению глубины прогрева вследствие того, что практически все подводимое тепло тут же уносится разрушающимся покрытием. При наличии уноса массы, т.е. когда температура внешней поверхности все время поддерживается на заданном постоянном уровне, по толщине распространяется тепловая волна, и в любой момент времени профиль температуры описывается единой функцией [2].
о I
1 - распределение температуры по поверхности; 2,3,4,5,6,7,8- распределение температуры на различной глубине от поверхности
Рис. 3. Схема профиля температуры материала на различной глубине от поверхности до и после разрушения
Даже незначительный унос массы с поверхности разрушающегося покрытия приводит к перестройке температурного поля. Детально механизм разрушения теплозащитного покрытия с комбинированным уносом массы (абляцией) можно установить лишь на основании экспериментального и теоретического изучения теплофизических и прочностных свойств материала в условиях аэродинамического воздействия высокотемпературного газового потока [2].
Ниже представлена постановка задачи и результаты расчета теплового состояния наносистемы, представляющей собой нанотрубку, заполненную атомами металла, в условиях высокотемпературного нагрева методов молекулярной динамики.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рассмотрим задачу молекулярной динамики применительно к комбинированной наносистеме [4].
На рис. 4 представлен наноэлемент в момент времени I = 0, состоящий из п атомов, занимающих область W. Положение каждого г -го атома наноэлемента задаем координатами
Хг1, Хг2, Хг3. Атомы г и ц взаимодействуют между собой силами ¥ц . Кроме того, на каждый •
г -ый атом наноэлемента действует внешняя сила . Под действием системы данных
сил атомы наноэлемента перемещаются. Атомы представляют собой материальные точки.
Движение атомов, образующих наноэлемент, согласно методу молекулярной
динамики определяется системой дифференциальных уравнений:
^ )
сИ2
т -г^- = ц (г), г = 1,2,.., п (1)
Ъ = * • (2)
где г - радиус-вектор г-го атома, - его скорость.
При начальных условиях положение атомов определяется радиус-векторами в начальный момент времени, скорости- начальными скоростями атомов.
Силы межатомного взаимодействия являются потенциальными и определяются как производная от величины потенциала по радиус-вектору.
F(?) = , i = 1,2,...,n, где ? = {?!,r2}; (3)
Рис. 4. Наноэлемент
В свою очередь потенциал межатомного взаимодействия является суммой слагаемых, отвечающих следующим типам взаимодействия:
Е(г) = Еь + Еу + Ер + Ее;. + Еи , где Еь - изменение длины связи, Еу - изменение угла
связи, - торсионным углам, Ее; - плоским группам, Еи - Ван-дер-Ваальсовым
взаимодействиям.
Решая систему дифференциальных уравнений (1) - (2) численным методом, в каждый момент времени определяются значения радиус-векторов и скоростей каждого атома. Используя значения скоростей атомов в каждый момент времени, определяется суммарная энергия системы, через величину которой определяется значение температуры системы[4].
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
В ходе численного моделирования исследованы изменения температуры нанотрубок различных размеров, открытых с одного конца, с различной степенью заполнения атомами меди.
Воздействие теплового потока на элемент наноструктурного покрытия приводит к увеличению внутренней энергии системы нанотрубка - металл. При достижении в момент времени поверхностью покрытия температуры разрушения кристаллической решетки
металла, наблюдается выход атомов металла из нанотрубки (рис. 5). В результате суммарная энергия всей системы уменьшается, что сопровождается снижением её температуры.
За счет вдува в пограничный слой продуктов разложения наполнителя (атомов металла) снижается величина теплового потока в защищаемую конструкцию, поступающего от продуктов сгорания топлива или навески воспламенителя.
Графики изменения температуры наносистемы от времени приведены на (рис. 6 - 9).
а - состояние наноэлемента в момент времени ¿0 ; б - состояние наноэлемента в момент времени ^
Рис. 5. Схема "разрушения" наноструктурного теплозащитного покрытия в условиях
высокотемпературного нагрева
Рис. 6. Изменение температуры нанотрубки 10-10, заполненной 140 атомами меди
Рис. 7. Изменение температуры нанотрубки 15-15, заполненной 180 атомами меди
Т,К 3000
2950
2900
2850
0 2 4 6 8 10 12 I рв
Рис. 8. Изменение температуры нанотрубки 15-15, заполненной 260 атомами меди
Т, К
3000 2950 2900
2850 2800
0 2 4 6 8 10 12 ря
Рис. 9. - Изменение температуры нанотрубки 15-15, заполненной 380 атомами меди
Как видно из графика, приведенного рис. 6, снижение температуры нанотрубки 10-10, заполненной 140 атомами меди составляет 90 К. Из графиков, приведенных на рис. 7-9 видно, что снижение температуры нанотрубок 15-15, заполненными 180, 260, 380 атомами меди снижение температуры составляет 160 К, 90 К и 130 К, соответственно. Численное моделирование процесса теплового воздействия на наноэлемент показало, что интенсивность снижения температуры системы тем выше, чем выше скорость выхода атомов металла. Отметим, что с течением времени скорость выхода атомов металла снижается.
ВЫВОДЫ
Расчеты показали, что предложенное покрытие способно хорошо защищать конструкционный материал от теплового воздействия высокотемпературных продуктов сгорания в области температур порядка 3000 К и тепловых потоков (0,5^2,4) МВт/м2 Это соответствует до- и сверхзвуковым областям течения большинства энергоустановок, в т.ч. ракетных двигателей твердого топлива [5]. Применение наноструктурного теплозащитного покрытия может способствовать уменьшению массовых характеристик энергоустановок.
Численных исследований указывают на возможность применения такого материала в качестве покрытия теплозащитного покрытия с уносом массы, однако для окончательных выводов необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования поведения такого материала в среде высокоскоростных и высокотемпературных газовых потоков, а также изучение теплофизических и прочностных характеристик.
Результаты работы использованы при разработке технологии получения и нанесения наноструктурного покрытия [6].
На основании проведенных исследований поведения наноэлемента в условиях воздействия теплового потока получен патент на изобретение
Авторы статьи выражают благодарность доктору физ.-мат. наук, профессору Алиеву Али Вейсовичу за консультации по вопросам проектирования теплозащитных покрытий и канд. техн. наук Суетину Михаилу Валерьевичу за помощь при составлении численных моделей динамики наносистем и реализации численных расчетов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 08-08-12082-офи) и Программы Президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов» (проект «Наносистемы: фундаментальные соотношения нано- и макропараметров»).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Липанов A.M., Алиев А.В. Проектирование РДТТ. М. : Машиностроение, 1995. 399 с.
2. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М. : Энергия, 1976. 392 с.
3. Харрис. П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века / Пер. с англ., с дополн. Л.А. Чернозатонского. М. : Техносфера, 2003. 336 с.
4. Вахрушев А.В. Теоретические основы применения нанотехнологий в тепловых двигателях и установках. Ижевск : ИПМ УрО РАН, 2008. 212 с.
5. Губертов А.М., Миронов В.В. и др. Газодинамические и теплофизические процессы в ракетных двигателях твердого топлива. М. : Машиностроение, 2004. 512 с.
6. Вахрушев А.В., Сермягин К.В, Суетин М.В., Алиев А.В. Огнетеплозащитное покрытие и установка для его получения / Патент РФ № 2366745. 2008. Бюл. №25.
APPLICATION OF CARBON NANOTUBES IN STRUCTURE OF A COLLAPSING HEAT-SHEALDING COVERING
Vakhrouchev A.V., *Sermyagin K.V.
Institute of Applied Mechanics Ural Branch of the RAS, Izhevsk, Russia *Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The opportunity of application of a collapsing heat-shielding covering with use carbon nanotubes and nanostructures, filled with metal is considered. The description of a principle of work of a heat-shielding covering ispresented. Methods of molecular dynamics investigate of behavior of carbon nanotube, the filled atoms of copper, at high-temperature heating, and give the analysis of change of nanosystem temperature during its destruction.
KEYWORDS: nanotube, nanostructural material, metal filler, heat-shielding covering, heat load.
Вахрушев Александр Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, зав. отделом ИПМ УрО РАН, тел. (3412) 21-45-83, e-mail: [email protected]
Сермягин Константин Викторович, аспирант ИжГТУ
