CC BY
23
дена оптимизация состава ТАП. Оптимальным является состав ТАП-16 на основе кера-мообразующего полимера ПКСЗ-21 с наполнением мелкодисперсным порошком карбида кремния до 0,5% (по массе). Установлено, что коэффициент звукопоглощения ТЗПМ с ТАП данного состава находится в интервале 0,7-0,8, эти же образцы с перфорацией (площадь перфорации 15%) имеют a=0,7-1. Разработка ТАП позволила получить ТЗПМ со свойствами: осж=10-21 МПа, Траб=750°С (в течение 500 ч) и Траб=1300-1500°С (при выдержке до 2 ч); коэффициент звукопоглощения a=0,6-0,8 при полосе звукопоглощения 800-5000 Гц.
По результатам акустических, физико-химических, механических и термических испытаний установлено, что ТЗПМ с ТАП может найти применение для создания звукопоглощающих конструкций, используемых в силовых установках авиакосмической техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев В., Мунин А.Г. Экологические проблемы гражданской авиации //Наука и производство, 2003, № 2, с. 15-17.
2. Кузнецов В.М., Мунин А.Г. Проблемы борьбы с шумом летательных аппаратов //80 лет ЦАГИ, с. 14-18 (ЦАГи).
3. Соболев А.Ф., Соловьева Н.М., Филиппова Р.Д. Расширение частотной полосы звукопоглощения облицовок силовых установок самолетов //Акустический журнал, 1995, т. 4 №1, с. 146-152.
4. Солнцев С.С., Минаков В.Т., Розененкова В.А., Швец Н.И., Миронова Н.А., Антонова С. В. Комплексные температуроустойчивые защитные покрытия для кера-мокерамических композиционных материалов: Труды ХУШ совещания по температуроустойчивым функциональным покрытиям, ч. 2.- Тула: ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 2001, с. 8-10.
5. Солнцев С.С. Защитные технологические покрытия и тугоплавкие эмали.- М.: Машиностроение, 1984, с. 220-241.
6. Минаков В.Т., Солнцев С.С. Керамоматричные композиты - материалы XXI века /В кн.: Авиационные материалы. Избранные труды 1932-2002. Юбилейный научно-технический сборник.- М.: МИСИС, ВИАМ, 2002, с. 122-131.
УДК 678.84
С. С. Солнцев, В.А. Розененкова, Н.А. Миронова, С.В. Гаврилов
ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКСИДНЫХ АРМИРУЮЩИХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ
С применением теплозащиты в современных изделиях авиационно-космической техники 4-5 поколений потребовалось ужесточить требования, предъявляемые к разрабатываемым материалам, по обеспечению рабочей температуры до 1650°С и конструкционной прочности до 100 МПа. 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. Кроме того, 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].
Требование высокой стойкости к окислению при высоких температурах значительно ограничивает 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, что 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 путем подбора составляющих компонентов, их количественного соотношения, распределения и ориентации в объеме материала, а также технологических параметров их получения. Это позволяет получать композиционные материалы многофункционального назначения.
В работе в качестве матрицы исследовалась система Al2O3-SiO2. Оксид алюминия вводился в состав матрицы в виде водорастворимых солей или высокодисперсного порошка. Отличительной особенностью стекловидных и стеклокерамических матриц является их 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 объемноструктурированных 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, которая включает следующие производственные этапы:
- механическая очистка;
- приготовление гидросуспензии;
- залив гидросуспензии в пресс-форму;
- удаление жидкости из мата;
- сушка полуфабриката.
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 ноже-
вой мельнице. Маты, полученные на волокне, подвергнутом 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 содержанием от 20 до 40% (объемн.) волокон и обеспечило возможность получения КМ с регулируемой объемной долей армирующего наполнителя (от 20 до 40%). При этом маты получаются равноплотными, отсутствует слоистость. На рис. 1 представлены данные по изменению плотности полученных волокнистых заготовок в зависимости от давления.
m 0,9
I 0,8
и
Л 0,7
н ’ о
Рис. 1. Влияние давления прессования с на плотность волокнистых полуфабрикатов (•, •, • - испытания трех образцов)
0,6
0,5
0,4
s'
100 150 200 250 300
Давление прессования, Па
Процесс сушки заключался в полном удалении влаги из мата путем 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, чего не наблюдалось при изготовлении образцов. Количество дефектов, как правило, увеличивалось с увеличением размеров изделия и зависело от вида термической обработки, которой оно подвергается.
Для устранения дефектов, связанных с нарушением фазовой стабильности СККМ, в состав гель-матриц вводили агенты - замедлители кристаллизации (борсодержащие компоненты), для снижения усадок при высокотемпературном нагреве - оксид магния, замедляющий спекание стеклокерамических волокон [3].
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность выбранных направлений. Были изготовлены три партии панелей из теплозащитного материала типа «Геларм» размером 400*400*150 мм на основе муллитового волокна и матрицы системы Al2O3-SiO2 с добавками В2О3 и М§О. Экспериментальные панели прошли предварительную термообработку при температуре до 1000°С в течение 1 ч, после чего подвергались испытанию на температуроустойчивость по режиму: 1650°С в течение 20 мин и 1 ч. Оценка температуроустойчивости панелей проводилась по изменению их размеров и по качеству поверхности. Получены следующие данные: усадка панелей СККМ на основе оксидных волокон и матрицы системы Al2O3-SiO2 с добавками
ч.>'
V
I. V
■J.I
1000°С, 10 мин
1000°С, 1ч
В2О3 и MgO после испытаний составила 3-5%, в то время как для панелей, не содержащих компонентов модификаторов, получена усадка 10-11%.
Температуроустойчивость экспериментальных панелей СККМ на оксидных армирующих волокнах подтверждена данными рентгенофазового анализа. Фазовый состав образцов СККМ исследовали как в исходном состоянии, так и после термообработки по следующим режимам: при 1000°С с выдержкой 10 мин и 1 ч; при 1650°С, 10 мин и 1 ч. Съемка образцов проводилась на дифрактометре Б/МЛХ-2500 фирмы «Rigaku» с медным монохроматическим излучением (рис. 2).
В результате проведенных исследований установлено, что основными фазами исходного СККМ являются корунд, аморфный кварц SiO2 и оксид Al2O3. При нагреве до 1000°С, 1 ч, появляется дополнительная фаза - муллит - и незначительное количество силлиманита (<0,55%). При нагреве материала до температуры 1650°С с выдержкой 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 проведены исследования теплофизических свойств СККМ на оксидных волокнах и из НК-S^ (НК - нитевидные кристаллы). Размер исследуемых образцов: диаметр 0,015 м, высота 0,003 м. Плотность исследуемых образцов находилась в пределах d=0,6-0,7 г/см3.
J
75-
50
25-
75-
50'
25'
75 • 5025 •
75
50
25
1650°С, 10 мин
.' ч
■ 44L'1' '■ 'ч
1650°С, 1ч
I
!;1:
/'■Л.1 .■ ■■■ - ■'
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130
20, град
Рис. 2. Дифрактограммы образцов СККМ типа «Геларм» на оксидных волокнах после термообработки по различным режимам
Были получены следующие данные по теплопроводности (к):
Вид СККМ к, Вт/(м-К)
На основе волокна системы Al2O3-SiO2.................0,13-0,14
НК-SiC...............................................0,24-0,25.
Данные результаты свидетельствуют о том, что разработанный СККМ на оксидных волокнах по теплопроводности превосходит СККМ на дефицитном армирующем волокне SiC.
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. Каблов Е.Н., Берсенев Ю.А., Максимов В.Г., Щетанов Б.В. Радиопрозрачные высокотермостойкие керамические материалы: Тез. докл. на Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений». - М.: ЦАГИ, 2004, с. 64-96.
2. Композиционные материалы: Справочник. Гл. 1. - М.: Машиностроение, 1990, с. 7-10.
3. Августинник А.И. Керамика.- Л.: Стройиздат, 1975, с. 370-380.
УДК 678.84
С. С. Солнцев, Д.В. Гращенков, Н.В. Исаева,
С.Ст. Солнцев, Г.В. Ермакова, Г.М. Прокопченко
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БЕСКИСЛОРОДНОЙ КЕРАМИКИ ТИПА SiC-SiC
Анализ современного развития зарубежного двигателестроения показывает, что использование высокотемпературных керамических композиционных материалов на основе бескислородной керамики типа SiC-SiC является ключевым в решении проблем, связанных с выбросом вредных веществ, снижением массы, повышением характеристик рабочих процессов - надежности, долговечности перспективных двигательных установок, и в частности авиадвигателей.
Композиционные материалы с керамической матрицей на основе SiC обладают низкой удельной массой (в 2-3 раза легче сталей), низким коэффициентом теплового расширения (повышенной стабильностью размеров), повышенной эрозионной, химической и коррозионной стойкостью в агрессивных средах. Наряду с хорошим сочетанием весовых и удельных механических характеристик, изделия из керамических композиционных материалов обладают высокой термостойкостью и поэтому могут использоваться без охлаждения в условиях высоких температур, вплоть до 1500°С, с прогнозом дальнейшего повышения.
В результате проведенных исследований разработаны составы и способы получения композиционного материала на основе керамической матрицы с плотностью менее 3 г/см3, с рабочей температурой до 1500-1600°С и прочностью до 200 МПа.
Формообразование изделий из композиционного материала проводится с помощью методов, используемых при получении изделий из полимерных композиционных материалов. Данный подход определяется достаточно хорошей изученностью технологических приемов, методик расчета технологических операций и их параметров, а также обеспечивает доступность технологической базы. Полученный таким образом полуфабрикат подвергается высокотемпературной обработке, в результате которой происходит зарождение и регулирование структуры материала, что приводит к образованию высокотемпературного полидисперсного квазиизотропного керамического КМ (рис. 1) [1].
