Гибкие высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе муллитокорундовых волокон тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат технических наук Бабашов, Владимир Георгиевич

  • Бабашов, Владимир Георгиевич
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2015, МоскваМосква
  • Специальность ВАК РФ05.16.09
  • Количество страниц 147
Бабашов, Владимир Георгиевич. Гибкие высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе муллитокорундовых волокон: дис. кандидат технических наук: 05.16.09 - Материаловедение (по отраслям). Москва. 2015. 147 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бабашов, Владимир Георгиевич

оглавление

ВВЕДЕНИЕ

глава 1. состояние вопроса

1.1. Теплозащита летательных аппаратов

1.2. Теплоизоляционные и теплозащитные материалы

1.3. Высокотемпературные волокна, как основа для изготовления теплозащитных и теплоизоляционных материалов

1.4. Гибкие волокнистые теплоизоляционные материалы

1.5. Многослойные гибкие материалы

глава 2. объекты и методы исследований

2.1. Объекты исследования

2.2. Методы исследования

2.3. Разработка лабораторного стенда для исследования материалов методом одностороннего нагрева

глава з. получение гибких волокнистых теплоизоляционных:

МАТЕРИАЛОВ

3.1. Общие принципы получения гибких волокнистых материалов. Исследование характеристик муллитокорундовых волокон

3.2. Процесс получения гибкого волокнистого теплоизоляционного высокотемпературного материала

3.2.1. Исследования условий получения гомогенной пульпы муллитокорундовых волокон миксерным способом

3.2.2. Исследования процесса получения гомогенной пульпы волокон оксида алюминия методом аэрационной гомогенизации

3.2.3. Исследование влияния связующего на свойства гибких волокнистых материалов

3.2.4. Термическая обработка и придание гибкому волокнистому материалу стабильных размеров

3.3. Отработка технологических приемов получения гибкого теплоизоляционного материала плотностью 100 кг/м

3.3.1. Исследование процесса гомогенизации волокнистой пульпы

3.3.2. Выбор связующего и методов его введения в волокнистую пульпу, исследование влияния связующего на свойства получаемого материала

3.4. Исследования по разработке технологии гибкого высокотемпературного уплотнительного теплоизоляционного материала плотностью 200 кг/м

3.5. Получение гибкого высокотемпературного теплоизоляционного материала

плотностью 300 кг/м

3.5.1. Исследование процессов изготовления и разработка технологии получения гибкого теплоизоляционного материала с плотностью 300 кг /м

3.5.2. Проведение исследований по влиянию длины непрерывного волокна на гибкость и плотность материала

3.6. Получение градиентного теплоизоляционного материала со средней плотностью 180 кг/м

3.6.1. Исследования процесса получения градиентного теплозащитного материала

3.6.2. Определение свойств экспериментальных образцов градиентного

теплоизоляционного материала со средней плотностью не более 180 кг/м3

ГЛАВА 4. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ВОЛОКНИСТЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГИБКИХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Определение теплофизических характеристик разработанных материалов

4.2. Исследования зависимости теплоизоляционных свойств материала от плотности

4.3. Исследование перепада температуры на образцах материала с плотностью 80-120 кг/м3

4.4. Исследование образцов гибких волокнистых материалов с градиентом плотности

4.5. Исследование теплопроводности гибких волокнистых теплоизоляционных материалов

4.5.1. Исследование теплопроводности материала с плотностью 100 кг/м3

4.5.2. Исследование теплопроводности материала с плотностью 200 кг/м3

4.5.3. Определение теплофизических характеристик материала с плотностью 300 кг/м3

4.5.4. Определение теплофизических характеристик градиентного материала с плотностью 180 кг/м

4.5.5. Определение теплофизических характеристик в рабочем диапазоне

температур материала ВТИ-16

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Материаловедение (по отраслям)», 05.16.09 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гибкие высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе муллитокорундовых волокон»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Тенденция повышения скоростей в современной гиперзвуковой авиации и авиакосмической технике требует разработки и использования материалов и способов их получения, обеспечивающих длительную работоспособность агрегатов при движении и маневрировании в атмосфере со скоростями, значительно превышающими скорость звука. При этом нагрев внешнего корпуса аппарата будет превышать температуру 1500 °С, одним из способов защиты JIA является применение теплоизоляционных и теплозащитных материалов, в том числе и волокнистых, с рабочей температурой 1500 °С и выше или конструкционных систем теплоизоляции с их использованием.

Анализ научных трудов, охранных документов, сайтов организаций по свойствам, технологии и поведению теплозащитных и теплоизоляционных материалов свидетельствует о значительном объеме знаний, накопленных. в данной области.

В работах С.М. Каца, A.C. Власова, Ю.П. Горлова, К.К. Стрелова, И.Д. Кащеева и других ученых были описаны строение, методы расчетов физико-химических и теплофизических свойств теплоизоляционных материалов из минеральных и стеклянных волокон.

В работах Ю.В. Полежаева, Ф.Б. Юревича, В.П. Тимошенко, Н.М. Иванова, Дж. Мартина и др. подробно описано применение материалов, в том числе и волокнистых, в качестве теплозащиты летательных аппаратов.

Технологии изготовления теплоизоляционных и теплоизоляционных материалов из тугоплавких волокон широко представлены в патентах ведущих мировых производителей.

При выполнении работы использовались научные идеи, содержащиеся в трудах отечественных и зарубежных ученых: Г.Е. Лозино-Лозинского, В.Н. Грибкова, Б.В. Щетанова, И.В. Романовича, П.В. Просунцова, В.В. Ляпина , Э.Л. Уманцева, A.B. Кондратенко, В. Кренкеля, Ч.В. Ныоквиста и др.

Гибкие теплозащитные материалы были применены в конструкции планера МКК "Буран". В настоящее время есть сведения о использовании гибкой теплоизоляции в конструкционной теплозащите опытных высокоскоростных JIA типа Х-55, Falcon (США) и др. Существуют патенты (Boing, McDuglas и др.) предлагающие различные конструкции элементов теплозащиты с применением волокнистых гибких высокотемпературных материалов не только для BJTA, но и для перспективных многоразовых космических кораблей [1].

Значительным преимуществом гибких волокнистых теплоизоляционных материалов является то, что они обладают низким удельным весом (80-300 кг/м3) и низкой теплопроводностью и могут быть использованы для облицовки поверхностей сложной формы.

Кроме применения в специальных областях, разработка волокнистых высокотемпературных материалов имеет существенное значение для других областей промышленности. Применение волокнистых высокотемпературных материалов внесло существенные изменения в изготовление высокотемпературного термического оборудования: удалось добиться экономии энергоносителей до 40% (в печах периодического действия) и до 25% (в печах непрерывного действия), снижения габаритов печей за счет уменьшения толщины кладки и снижения массы футеровки печи до 10 раз, сокращения сроков выхода на режим до 1,5-2 часов, увеличения числа теплосмен до 1000-2000, снижения трудоемкости монтажа футеровки в несколько раз [2]. Футеровка печей гибкими волокнистыми материалами в виде матов и одеял позволит упростить процесс изготовления печей, сократить время на ремонт и техническое обслуживание.

За рубежом гибкую высокотемпературную теплоизоляцию из волокна на основе оксида алюминия разрабатывают и предлагают на мировом рынке компании "ZIRCAR", ЗМ, Unifrax (США), Saffil Ltd, ICI (Великобритания) и др., часть из них в настоящее время предпринимает шаги по внедрению своих материалов на российский рынок в области промышленности стройматериалов, металлургической промышленности.

Отечественная промышленность в широких масштабах производит и поставляет материалы, изготовленные на основе стеклянных, кварцевых и минеральных (базальтовых, муллитокремнеземных) волокон, применяемых только до рабочей температуры 1450 °С.

Интересы отечественной авиакосмической промышленности и вопросы импортозамещения делают актуальной разработку волокнистых высокотемпературных гибких материалов с рабочей температурой 1700 °С. Для решения этой задачи и была поставлена данная работа.

Цель работы. Целью работы является создание гибких волокнистых материалов с температурой эксплуатации 1700 °С и низкой плотностью для авиационной и ракетно-космической техники.

Задачи исследования. Для достижения цели работы были решены следующие основные задачи:

проведен анализ существующих способов получения волокнистой теплоизоляции и оценена возможность их использования для технологии, изготовления гибких высокотемпературных материалов на основе тугоплавких оксидных волокон;

исследованы процессы формирования гибкого материала, включая следующие основные этапы:

• получение гомогенного материала из водной пульпы волокон муллитокорундового состава при использовании различных способов гомогенизации;

• использование органических и неорганических веществ в качестве связующих;

• влияние различных приемов формования и термообработки для получения размеростабильных гибких волокнистых материалов;

- проведено исследование влияния плотности материалов и расположения слоев разной плотности в слоистом градиентном материале на теплоизоляционные свойства материалов, дана сравнительная оценка эффективности теплоизоляции различной плотности.

изготовлен макет стенда для исследования теплоизоляционных свойств высокотемпературных материалов различной плотности при одностороннем нагреве.

Научная новизна работы.

1. Выявлены закономерности влияния характеристического отношения (Ш) волокон на критический радиус изгиба и плотность волокнистых теплоизоляционных материалов. Установлено, что увеличение характеристического отношения приводит к уменьшению критического радиуса изгиба и плотности материала. Полученные закономерности были использованы при создании гибких высокотемпературных материалов на основе муллитокорундового волокна, в том числе, материала с плотностью 300 кг/м3 и радиусом изгиба 350 мм.

2. Определены условия изменения структуры материала, приводящие к образованию текстуры с частичной ориентировкой волокон вдоль направления прокатки и получению равноплотного и размеростабильного продукта. Разработанный материал плотностью 100 кг/м защищен патентом РФ на изобретение № 2433917 «Способ получения гибкого волокнистого материала».

3. Предложен метод качественной оценки теплоизоляционных свойств материалов, в том числе слоистых, при одностороннем высокотемпературном нагреве. Метод позволяет оценивать возможности материалов различной плотности, изготовленные из различных видов волокон при высоких скоростях нагрева на специально разработанном и изготовленном стенде.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы состоит в определении

закономерностей влияния гомогенизации волокнистой пульпы на сохранение длины волокна и образование структуры волокнистого мата, обеспечивающей максимальную гибкость при плотностях материала 100-300 кг/м ; установлении влияния текстуры материала с частичной ориентацией волокон на равноплотность, размеростабильность и технологичность волокнистых матов; в выявлении зависимости теплоизоляционных свойств материалов от наличия

слоистой структуры, в которой волокнистые слои различной плотности располагаются в определенном порядке, что обеспечивает улучшение теплоизоляционных свойств материала на 15-20 %; в развитии принципов создания новых гибких высокотемпературных волокнистых материалов.

Практическая значимость работы:

Разработаны гибкие высокотемпературные теплоизоляционные волокнистые материалы имеющие усадку не более 5% при рабочей температуре 1700 °С в виде матов для облицовки поверхностей сложной формы:

- материал ВТИ -19 с плотностью 100 кг/м и радиусом изгиба140 мм;

- материал ВТИ-20 с плотностью 200 кг/м3 и радиусом изгиба 350 мм;

л

- материал ВТИ-21 с плотностью 300 кг/м и радиусом изгиба 350 мм;

- градиентный материал со средней плотностью 180 кг/м3 и радиус изгиба 350 мм.

На основе материалов ВТИ-19 и ВТИ-20 были созданы материалы ВТИ-16 и

___ -j

ВТИ-16У с плотностями 120-140 и 180 кг/м и радиусами изгиба 140 мм и 400 мм соответственно, используемые в изделиях космической техники.

Разработана научно-техническая документация, включающая технические условия на гибкие высокотемпературные материалы (ТУ 1-595-29-1173-2010, ТУ 1-595-29-1174-2010, ТУ 1-595-29-1249-2011, ТУ 1-595-29-1318-2012, ТУ 1-59529-962-2007), технологические инструкции на изготовление гибких высокотемпературных материалов (ТИ 1.595-29-114-2009, ТИ 1.595-29-175-2010, ТИ 1-595-29-1249-2011, ТИ 1.595-29-418-2012) и производственную инструкцию (ПИ 1.2.761-2007)

Материалы диссертационного исследования внедрены в опытно-промышленное производство на участках ФГУП «ВИАМ».

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность и обоснованность результатов измерений подтверждается применением комплекса стандартных методов определения физических, физико-механических и теплофизических свойств материалов, применением аттестованных методик испытаний, большого количества испытанных образцов, согласованностью

результатов испытаний образцов, использованием поверенных и аккредитованных средств измерений, а также статистической обработкой полученных данных. Использованием современного оборудования известных мировых фирм: "Naber", "Instron", "Olimpus" и др.

Личный вклад соискателя состоит в проведении исследований, обработке данных, анализе и обобщении результатов исследований.

Технологии изготовления материалов переданы для производства на опытный участок ФГУП «ВИАМ» по изготовлению теплозащитных, теплоизоляционных и керамических композиционных материалов. Материалы ВТИ-16 и ВТИ-16У поставляются на предприятия ракетно-космической отрасли.

Апробация результатов исследования проводилась на конференциях: «Современные высокотемпературные композиционные материалы и покрытия» (посвященной 100-летию со дня рождения к.т.н. A.C. Фролова), 4 апреля 2013 года, Москва и «Высокотемпературные керамические композиционные материалы и защитные покрытия», 11 декабря 2014 г., ФГУП «ВИАМ», Москва.

Публикации по теме диссертационной работы. По результатам исследований опубликовано 13 статей, из них 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК. Получено 4 патента и поданы 2 заявки на OTP.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения , 4 глав, выводов и списка литературы. Содержит 146 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 15 таблиц, библиографический список из 102 наименований.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Теплозащита летательных аппаратов

Развитие авиационной техники, повышение скорости летательных аппаратов и, соответственно, температуры нагрева корпуса и деталей ЛА, потребовало разработки материалов, обладающих необходимыми теплозащитными свойствами. С целью решения этой проблемы было разработано значительное количество вариантов тепловой защиты.

Большой опыт разработки теплозащитных и теплоизоляционных материалов сложился при создании ракетно-космической техники, причем за относительно короткий исторический период. Создана и усовершенствована технология тугоплавких металлов и сплавов, керамики, саморазрушающихся и высокопористых материалов.

В работе Иванова и Мартынова [5] описано несколько основных систем теплозащиты, используемых при проектировании ЛА:

- абляционная;

- радиационная неохлаждаемая;

- радиационная, охлаждаемая материалом с изменяющимся фазовым стоянием;

- радиационная, охлаждаемая водой;

- радиационная комбинированная;

- с панелями многократного применения.

Каждая из перечисленных систем имеет свои преимущества и недостатки. При использовании абляционной системы большая часть теплового потока, поступившего к поверхности ЛА, идет на изменение агрегатного состояния материала, а остальное тепло поступает внутрь корпуса.

Абляционная система теплозащиты, по сравнению с другими, имеет следующие недостатки:

- исключается повторное применение ЛА;

- при увеличении времени спуска возрастает количество вещества с низкой температурой агрегатного состояния, что увеличивает массу системы теплозащиты.

Радиационные теплозащитные системы конструктивно делятся следующим образом:

радиационная неохлаждаемая система состоит из наружного теплозащитного экрана и слоя теплоизоляционного материала, установленного между наружным экраном и корпусом ЛА;

- радиационная охлаждаемая система, в общем случае, содержит радиационный экран, обшивку-изолятор и активную систему внутреннего охлаждения [4, 6].

Так как в летательных аппаратах, а в космических особенно, важнейшей характеристикой является масса изделия, для минимизации массы системы тепловой защиты необходим соответствующий подбор материала для теплозащитного экрана и обшивки изолятора. Наименьшим удельным весом: среди теплозащитных материалов обладают пористые и волокнистые материалы.

Наиболее известным примером теплозащиты с применением панелей многократного применения являются сложные теплозащитные системы многоразовых космических кораблей "Спейс-Шаттл" (США) и "Буран" (СССР) [7, 8, 9, 10, 11]. Подобные системы теплозащиты чаще принято называть плиточными, так как главным элементом теплозащиты является плитка волокнистого теплозащитного материала. Теплозащитные материалы, примененные в системе "Спейс-Шаттл", были изготовлены на основе кремнеземных волокон и обладали рядом недостатков, материалы на основе кварцевых волокон, примененные в защите космического корабля "Буран", были более совершенны [12,13].

Для теплоизоляции поверхности и узлов сложной формы летательных аппаратов применение плиточной теплозащиты, основанной на жестких плитах, ограничено. Решением этой проблемы является применение гибких

теплоизоляционных материалов, допускающих изгибы без образования трещин и разрушения.

1.2. Теплоизоляционные и теплозащитные материалы

Основными характеристиками теплозащитных и теплоизоляционных материалов для ракетно-космической техники и высокоскоростных летательных аппаратов являются их максимальная рабочая температура, коэффициент теплопроводности и плотность материала.

По уровню температур высокотемпературные ТИМ и ТЗМ можно разделить на четыре группы:

1. С предельной рабочей температурой до 700°С. К ним относятся многие строительные и теплотехнические изоляции общего назначения, как органические, так и неорганические: минеральная вата, стекловата, ячеистые бетоны, пеностекло, асбестовые, совелитовые, каолиновые и другие теплоизоляционные изделия.

2. Огнеупорные, волокнистые и засыпные изоляции с предельной рабочей температурой до 1750°С, главным образом на основе оксидной керамики из 8102 А12Оз, М§0,ЪхЪЮ*, шамотные и динасовые легковесные изделия.

3. Высокоогнеупорные пористые изоляции с предельной рабочей температурой до 2300-2500 °С - из корунда, магнезита, хромомагнезита и диоксида циркония, а также из оксидов бериллия, иттрия, скандия и др.

4. Особо высокотемпературные изоляции с предельной рабочей температурой > 2500°С. Изоляции этой группы изготавливают из углеграфитовых материалов, на основе тугоплавких металлов и их соединений и сплавов, а также из некоторых оксидов: ТЮ2, НЮ2.

Класс волокнистых теплоизоляционных материалов в настоящее время развивается наиболее интенсивно. Волокнистые изоляции сочетают высокие теплоизоляционные свойства и удобство применения в виде гибких матов, жестких плит, листов, войлоков, тканей. Волокнистая теплоизоляция обладает

более высокими механическими свойствами по сравнению с ячеистыми и другими высокопористыми материалами равной пористости.

Важнейшей теплофизической характеристикой теплозащитных и теплоизоляционных материалов является теплопроводность, описываемая для данного конкретного материала коэффициентом теплопроводности X, имеющем размерность Вт/мхК. При разработке нового ТИМ необходимо стремиться к минимизации коэффициента теплопроводности, для чего надо учитывать следующие факторы, от которых он зависит [15]:

- физическое состояние и строение, которые определяются фазовым состоянием вещества, степенью кристаллизации и размерами кристаллов, анизотропией теплопроводности кристаллов и направлением теплового потока, пористостью материала и характеристиками пористой структуры;

- химический состав и наличие примесей;

- условия эксплуатации (температуры, давления и т.д.).

Для волокнистых материалов наибольшее значение имеет влияние пористой структуры. В волокнистых материалах поры имеют неопределенную форму и представляют собой скорее систему сообщающихся полостей между волокнами. Объем отдельной полости

зависит от диаметра волокна - чем тоньше волокно, тем больше волокон размещается на единице объема (при постоянной массе твердой фазы), тем меньше объем единичной полости и меньше конвективный теплообмен в материале. При контакте волокон, чем меньше диаметр волокна, тем больше термическое сопротивление в местах контакта волокон. Согласно исследованиям [15], оптимальной волокнистой структурой является структура с минимальным содержанием твердой фазы в виде длинных волокон малого диаметра обеспечивающая упругость и неслёживаемость волокнистого каркаса. Волокна должны быть круглого сечения с плотной гладкой поверхностью, без резких перепадов диаметра по длине.

С этими данными совпадают результаты исследований проведенных по изучению волокнистых поликристаллических плит ПКВ [16].

Высокотемпературные теплоизоляционные материалы представляют собой, как правило, гетерогенную многофазную поликристаллическую высокопористую огнеупорную керамику. Доля пор по объему превышает 50%, а во многих случаях находится в пределах 70-90%. Теплоизолирующий эффект зависит не только от объема пор, но и от их структуры и от распределения по величине.

В процессе теплопередачи поток тепла идет всегда от более нагретых поверхностей к менее нагретым. Количество переданного тепла пропорционально разности температур Дt = 42), площади поверхности Рь которой или от которой передается тепло.

(} = А(ь - (1)

Где X - коэффициент теплопроводности, Вт/м*К.

Коэффициент теплопередачи зависит от многих факторов и, главным образом, от вида или способа теплопередачи. Известно три способа передачи тепла - посредством теплопроводности, излучением и конвекцией.

В гетерогенных пористых теплоизоляционных материалах процессы передачи тепла протекают как в твердой, так и в газовой фазах.

Теплопроводность в газах происходит в результате процессов соударения молекул между собой. Большинство технических газов имеют примерно одинаковую теплопроводность, которая значительно меньше, чем у твердых веществ. При этом теплопроводность газов повышается с ростом температуры.

Во многих видах высокотемпературных теплоизоляционных материалов газы находятся в порах сравнительно небольшого объема. При этом характерно, что теплопроводность газов скачкообразно снижается, если размер пор становится меньше длины свободного пробега газовых молекул (при комнатной температуре это около 50 нм, а при 1200°С - около 400 нм) [17]. На рисунке 1 виден этот важный эффект, который позволяет понять особую роль микропор в теплофизических процессах.

!Онх «КрИТ. | мм

------>

лдачетр пор

Рисунок 1 — Зависимость теплопроводности газов от диаметра пор

Квантом энергии, отвечающим за теплопередачу, считается фонон. Фононная проводимость является преобладающим механизмом передачи тепла в беспористых керамических материалах, из которых состоит твердый каркас высокотемпературных теплоизоляционных материалов. Переход фононов, и соответственно теплопроводность, зависят от структуры твердых веществ.

Для оценки высокотемпературных теплоизоляционных материалов решающее значение имеет зависимость их эффективной теплопроводности от температуры. Общую зависимость можно выразить следующей формулой:

Лэфф=Ах^ + ВхТ + СхТ3 (2)

Первое слагаемое описывает теплопроводность беспористой кристаллической фазы, причем величина А зависит от материала. Второе слагаемое выражает теплопроводность в газонаполненных порах и в беспористой некристаллической фазе. Коэффициент В тоже зависит от природы материала. Третье слагаемое характеризует долю передачи тепла излучением, которая весьма

существенна в порах при высоких температурах. Коэффициент С описывается следующей формулой:

С = йсе (3)

Где с! - диаметр пор, с - константа излучения, е - степень черноты [20, 21] Отсюда можно сделать вывод, что для пористого материала при одинаковой температуре доля теплопередачи излучением снижается при уменьшении диаметра пор.

В работе Горлова и др. [15] также подчеркнуто большое значение частотного распределения пор по величине в высокотемпературных теплоизоляционных материалах и дается рекомендация по разработке пористых теплоизоляционных материалов.

При высоких температурах, внутренняя теплопередача излучением играет в высокотемпературных теплоизоляционных материалах решающую роль. Для передачи тепла внутри пор справедливо следующее уравнение:

(}д = Ауй0Тъ (4)

где (}д - тепловой поток внутри поры, у - коэффициент формы, с!о - диаметр пор, Т-температура.

Данное уравнение показывает существенное влияние формы и размера пор на внутреннюю теплопередачу излучением.

Передача тепла конвекцией газа в порах, как одна из составляющих внутреннего переноса тепла в высокотемпературных теплоизоляционных материалах, обычно исключается, так как разность температур в порах обычно слишком мала для возникновения течения. Передача тепла в объеме волокнистых материалов происходит теплопроводностью и излучением, и может быть охарактеризована суммарной эффективной теплопроводностью — С2Эфф.

Особый интерес представляет зависимость эффективной теплопроводности от величины пористости. В зависимости от уровня температуры эксплуатации уровень пористости, обеспечивающий минимальную теплопередачу, изменяется от 98% при комнатной температуре до 80% при температуре 1000 °С [19, 20].

1.3. Высокотемпературные волокна, как основа для изготовления теплозащитных и теплоизоляционных материалов.

Основные варианты оксидных волокон были созданы в восьмидесятые годы -прошлого века, в основном компанией ЗМ (США), а также DuPont (Франция), Toshiba Monofrax, Minolta, Übe Industries (Япония), Imperial Chemical Industries и Courtaulds PLC (Великобритания) [22-28]. Благодаря высоким прочностным свойствам этих волокон, при обычных (т.е. комнатной и несколько повышенной) температурах, в сочетании с их химической инертностью, эти волокна должны идти на замену склонных к окислению бескислородных керамических волокон (С, SiC, Si3N4) при создании волокнистых теплозащитных материалов.

Использование ТЗМ и ТИМ на основе оксидных волокон для авиакосмической техники выдвигает к ним ряд жестких требований, в частности, повышенной прочности, стойкости в окислительной среде, размеростабильности при высоких температурах, устойчивости к многократным нагревам и охлаждениям. Поэтому многие фирмы работают над повышением свойств оксидных волокнистых материалов как за счет повышения качества исходных волокон [24], так и за счет совершенствования технологий их обработки и создания материалов на их основе [16].

Для дискретных алюмосиликатных волокон существуют два основных способа получения: способ получения волокон из расплава оксида - основан на раздувании расплавленной при 2000 °С керамики в турбулентном потоке воздуха или газа, или, альтернативно, на литье расплава на серию быстро вращающихся дисков [30]. Турбулентный поток образует волокна небольшой длины, с

сечением неправильной формы от 2,5 до 3,5 мкм. Необходимость низкого поверхностного натяжения волокнообразующего расплава, связанная с крайне узким температурным интервалом вязкости расплавов, обогащенных оксидом алюминия, в котором образуются волокна, ограничивает соотношение А12Оз:8Ю2 не более 60:40, кроме того, волокна имеют большой разброс по длине и диаметру и значительную долю неволокнистых включений, которые снижают прочность и изоляционные качества продукта.

Второй, более дорогой, золь-гель способ позволяет получать волокно лучшего качества, с содержанием оксида алюминия до 100%. Другим преимуществом этого способа является низкая температура прядения волокна, ниже температуры пиролизации [31]. Компания ICI начала выпуск коротких волокон Al203~4%Si02 диаметром 3 мкм под маркой Saffil в 1974 году, выделив дочернюю компанию Saffil Ltd. Волокно в основном содержит зерна 5- А12Оз размером около 50 нм и небольшое количество зерен a- AI2O3 размером 100 нм. Для использования в качестве высокотемпературной изоляции производят термообработку волокна при температуре более 1000°С, чтобы превратить 5-А12Оз в (X-AI2O3. После завершения превращений достигается равновесное состояние фаз, после чего усадка волокна, а, следовательно, и изделия из него, практически отсутствует вплоть до 1600°С [32].

Отдельный интерес представляют волокна муллитового состава и близкие к нему, так как муллит обладает наименьшей теплопроводностью среди высокотемпературных оксидов (рисунок 2) [16].

Похожие диссертационные работы по специальности «Материаловедение (по отраслям)», 05.16.09 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бабашов, Владимир Георгиевич, 2015 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Thermal Protection Systems Development for Space Operations Vehicle. Mr. Harold Сгоорю Air Force Research Laboratory's Air Vehicles Directorate.

2. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита / под ред. Лыкова А.Б. М.: Энергия, 1975.

3. Мартин Дж. Вход в атмосферу: введение в теорию и практику: пер. с англ. М.: Мир, 1969.

4. Тимошенко В.П. Проектирование и экспериментальная отработка теплозащиты "Бурана" // Авиационно-космические системы сб. статей. М.: МАИ 1997.

5. Иванов Н.М., Мартынов А.И. Движение космических аппаратов в атмосферах планет. М.: Наука, 1985.

6. Оснос С.П., Гололобов О.И. Применение современных волокнистых теплоизоляционных и огнеупорных материалов в тепловых агрегатах и сооружениях // Строительные материалы и изделия. 2000. №11.

7. Многоразовый орбитальный корабль "Буран" / под ред. Ю.П. Семенова, Т.Е. Лозино-Лозинского и др. М.: Машиностроение, 1995.

8. Афанасьев И., Листов И. Есть ли альтернатива у плиточной теплозащиты? // Новости космонавтики. 2003. № 9.

9. Грибков В.Н., Мизюрина Г.Т., Щетанов Б.В., Ляпин В.В. Возможности волокнистой тепловой защиты. / Труды первой международной авиакосмической конференции "Человек-Земля-Космос". Том 5. Материалы и технология производства авиакосмических систем. Гл. редактор Г.Е. Лозино-Лозинского, редакторы P.E. Шалин, В.Е. Подколзин. М.: Военная академия им. Ф.Э. Дзержинского, 1995.

10. Fletcher J.C, Goldstein Н.Е., Smith М., Leiser D. U.S.Patent №3.952.083. Silicarensable surface insub. Filed Dec. 26.1973, Appl. № 427.775.

11. Leiser D.B., Smith M., Stewart D.A., Goldstein H.E. Ceram Eng. and Sei Proco. №№ 7-8, 551, 1983 12 12. Sears G.W., Acta. Met., 1953, v.l, p.457.

12. McCormick M.J., Advam Ceram. Mater. 3. № 4. 317. 1988.

13. Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г. Теплозащитные материалы // Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 12-19.

14. Кац С.М. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы. М.: Металлургия, 1981.

15. Горлов Ю.П., Меркин А.П., Устенко А. А. Технология теплоизоляционных материалов М.: Стройиздат, 1980.

16. Демин Е.Н., Андреев В.П. Производство огнеупорных материалов высокотемпературной теплоизоляции. М.: Аспект, 2004.

17. Охотин А.С., Боровикова Р.П. Теплопроводность твердых тел: справочник / под ред. Охотина А.С. М.:Энергоатомиздат, 1984.

18. Займан Дж. Электроны и фононы. Теория является переноса в твердых телах. M.-JL, 1962.

19. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Мир, 1974.

20. Гладков С.О. Физика пористых структур. М.: Наука, 1997.

21. Стрелов К.К.; Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. М.: Металлургия, 1996.

22. Электронный ресурс Saffil Ltd. Официальный сайт компании. Режим доступа: www.saffil.com (дата обращения 20.01.2015).

23. Электронный ресурс 3m Corporative. Официальный сайт компании. Режим доступа: www.3m.com (дата обращения 20.01.2015).

24. Электронный ресурс Boeing Corporation. Официальный сайт компании. Режим доступа: www.boeing.com (дата обращения 20.01.2015).

25. High Temperature Fibrous Ceramic Materials. Официальный сайт компании. Режим доступа: www.zircarceramics.com (дата обращения 20.01.2015).

26. Unifax Std. Официальный сайт компании. Режим доступа: www.unifrax.com (дата обращения 20.01.2015).

27. Aerospatiale Ltd. Официальный сайт компании. Режим доступа: www.aerospatiale.com (дата обращения 20.01.2015).

28. Yes-mpi Foundation. Официальный сайт компании. Режим доступа: www.yes-mpi.com (дата обращения 20.01.2015).

29. Center for AeroSpace Information NASA-CR-202193. Gregory N.Morscher, Haluk Sayir, Bend Properties of Sapphire Fibers at Elevated Temperatures.

30. Патент GB 1425934. Способ получения неорганических изделий тонкого сечения. Imperial Chemical Industries Ltd. Заявл.21.02.73 №12088/72. Опубл. 25.02.76.

31. Патент US 4047965. Неломкие волокна оксид алюминия-оксид кремния. Minnesota Mining and Manufacturing Company, США. Заявл.4.11.1976 №683.183. Опубл. 13.09.1977.

32. Патент JP 8-358112. Способ получения композитного волокна. Agency of Industrial Science and Technology. Fine Ceramics Research Associations. Япония. Заявл.28.12.1996. №8-358112.

33. Патент US 4555492. Высокотемпературное волокно. Manville Service Corporation. США. Заявл. 1.05.1984 №585.089. Опубл. 26.11.1985.

34. Gregory N. Morscher, Haluk Sayir. Center for AeroSpace Information NASA-CR-202193. Bend Properties of Sapphire Fibers at Elevated Temperatures.

35. Патент US 4605588. Керамические волокна с барьерным покрытием и способ нанесения покрытия. The Boeing Company. США. Заявка № 711898 от 14.03.1985. Публ. 12.08.1986.

36. Патент US 4605588. Керамические волокна с барьерным покрытием и способ нанесения покрытия. The Boeing Company США. Заявка. № 711898 от 14.03.1985. Публ. 12.08.1986.

37. Торопов Н.А. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск четвертый. Тройные окисные системы. JL: Наука, 1974.

38. Щетанов, Б.В., Каблов, Е.Н., Щеглова, Т.М., Механизм формирования стабилизированной структуры в высокотермостойких поликристаллических волокнах системы А^Оз-ЗЮг, получаемых по золь-гель технологии. Материалы 24-й ежегодной международной конференции. Композиционные материалы в промышленности. Ялта: Крым, 2004.

39. Авиационные материалы: избранные труды 1932-2002 гт. юбилейный научно-технич. сб. / под общ. ред. E.H. Каблова. М.: МИСиС ВИАМ, 2002.

40. Заявка на изобретение RU 2212388. Способ получения высокотемпературного волокна на основе оксида алюминия. ФГУП "ВИАМ". Россия. Заявл. 19.11.2001 №2001130964/03. Публ. 20.09.2003.

41. Заявка на изобретение RU 2213074. Способ получения неорганического волокнистого материала. ФГУП ОН! 111 "Технология". Россия. Заявл. 1.02.2002 №2002102884/03. Опубл. 27.09.2003.

42. Заявка на изобретение RU 2257293. Устройство для формования керамических изделий из водных шликеров. ФГУП ОН1111 "Технология". Россия. Заявл. 30.03.2004 № 2004109745/03. Опубл. 27.07.2005.

43. Заявка на изобретение RU 2020057. Способ изготовления теплоизоляционных волокнистых изделий. Украинский государственный НИИ огнеупоров. Украина. Заявл. 5.06.1991 №4943053/33. Опубл. 30.09.1994.

44. Широкордюк В.К. Эффективные теплоизоляционные материалы. Краснодар: КГАУ, 2005.

45. Аксенов С.Е. Современные теплоизоляционные материалы. Архангельск: АГТУ, 2004.

46. Рахимов Р.З., Шеников Н.С. Современные теплоизоляционные материалы. Казань: КГАСУ, 2006.

47. Афанасьев И.М., Лазоряк Б.И. Высокотемпературные керамические волокна: учебное пособие. М.: МГУ, 2010.

48. Сентяков Б.А., Широкобоков К.П., Шикляков А.И. Техника и технология теплоизоляционных материалов из минерального сырья. Доклады IX Всероссийской научно практической конференции 17-19 июня 2009 года, Бийск: БТИ АлтГТУ, 2009.

49. Углова Т.Н., Ходакова H.H., Татаринцева О.С. Смесевое связующее для теплоизоляционных базальтовых плит. Доклады IX Всероссийской научно практической конференции 17-19 июня 2009 года. Бийск: БТИ АлтГТУ, 2009.

50. Углова Т.Н., Новоселова С.Н., Татаринцева О.С. Базальтоволокнистые теплоизоляционные материалы на основе малотоксичных органических связующих. М.: Ведо, 2012.

51. Гофин М.Я. Жаростойкие и теплозащитные конструкции многоразовых аэрокосмических аппаратов. М.: Структура, 2003.

52. Электронный ресурс Advtech Inc. Официальный сайт компании. Режим доступа: www.advtech.ru (дата обращения 20.01.2015).

53. Патент US 6602369 от 05.08.2003. Способ получения слоистого листа, содержащего прекурсор волокон оксида алюминия. Mitsubishi Chemical Corporation.

54. Патент РФ № 2279159. Композиционный материал для сепараторов щелочных аккумуляторных батарей и способы его получения. ФГУП "ВИАМ" Приоритет изобретения 21.10.2006.

55. Патент US 4,822,679. Spray-applied ceramic fiber insulation. Stemcor Corporation. USA. Публ. 18.04.1984.

56. Химическая технология керамики: учеб. пособие / под ред. проф. И.Я. Гузмана. М.: ООО РИФ "Стройматериалы", 2003.

57. Патент US 6183852. Огнеупорная керамическая волокнистая изоляция и способ ее получения. The Boeing Company. США. Заявл. № 209847 от 11.03.1994. Публ. 6.02.2001.

58. Патент US 6417125. Керамическая изоляция. The Boeing Company. США. Заявл. № 464149 от 5.06.1995. Публ. 9.07.2002.

59. Патент US 6444600. Высокопрочная легковесная керамическая изоляция. Agency for Defense Development. Корея. Заявл. 10.07.2000 № 09/613156. Опубл. 03.09.2002. Приоритет KR 99-28003 от 12.07.1999.

60. Интернет-ресурс Ceramic Industry. Dinwoodie John. Alumina fiber for high-temperature furnace insulation. Опубликовано 01.04.1996.

61. Патент US 4931239. Alumina fiber structure and process for its production. Mitsubishi Kasei Corporation. Япония. Заявл. 8.06.1988, №178614. Опубл. 5.06.1990. Приоритет Японии JP 60-131580 от 17.06.1985.

62. Патент US 5380580. Гибкий нетканый мат. Minnesota Mining and Manufacturing Company. США. Заявл. 3.01.1994 №176329. Опубл. 10.01.1995.

63. WO 01/65008, Method of making fibre-based products and there use. Saffil Limited Ltd. Великобритания. Заявл. 27.02.2001 №PCT/GB01/00839. Опубл. 07.09.2001.

64. Патент US 5047289. Heat Resistant alumina fiber mat. Denki Kagku Kugyu Kabushiki. Japan. Заявл. 9.01.1990 № 463010. Опубл. 10.09.1991.

65. Патент US 4713275. Керамо-керамическая плитка теплозащитной системы и способ ее получения. National Aeronautics and Space Administration (NASA). США. Заявл. № 862.925 от 14.05.1986. Опубл. 15.12.1987.

66. Патент US 5038693. Композитный гибкий изоляционный мат, National Aeronautics and Space Administration (NASA). США. Заявл. 21.09.1989 № 410576. Опубл. 13.08.1991.

67. Патент US 5744252. Гибкий керамо-металлический изоляционный композит и способ его получения. National Aeronautics and Space Administration (NASA). США. Заявл. 11.01.1993 № 75367. Опубл. 28.04.1998.

68. Патент US 5626951. Thermal insulation system and method of forming thereof. Rockwell International Corporation. США. Заявл.03.04.1995, № 416125. Опубл. 6.03.1997.

69. Патент US 5928752. Быстро устанавливаемая и быстро удаляемая теплоизоляция для космического корабля. The Boeing Company. США. Заявл. 30.06.1997 № 08/885601. Опубл. 27.07.1997.

70. Патент JP 10246391. Compressive resistant type flexible thermal insulation material. Nat Space Dev Agency. Mitsubishi Heavy Ind Ltd. 14.09.1998.

71. Патент US 4847140. Nonwoven fibrous insulation material. Helmic Inc. США. Заявл. 8.04.1985 № 721042. Опубл. 11.07.1989.

72. ГОСТ 17177-94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний.

73. Методика определения количества неволокнистых включений в дискретных волокнах оксида алюминия методом седиментации. ВАИМ. СТП-1-595-41-247-90.

74. ГОСТ 6943.2 - 79. Материалы текстильные стеклянные. Методы определения диаметра элементарных нити и волокна.

75. ММ 1.595-29-173-2003. Построение гистограммы распределения волокон по диаметру с компьютерным обсчетом данных электронной микроскопии.

76. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, А. Н. Иванов, JI. Н. Расторгуев. М.: Металлургия, 1982.

77. Ковба JI.M., Трунов В.К. Рентгенофазовый анализ. М.: Изд. Московского университета, 1976.

78. Паспорт 1747 на материал ТЗМК-1700. М.:, ВИАМ, 1991

79. ТУ 1-595-29-1012-2007 Дискретные волокна на основе оксида алюминия.

80. Каблов E.H., Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Балинова Ю.А. Перспективные армирующие высокотемпературные волокна для металлических и керамических композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. ВИАМ-М. 2005. №2.

81. Щетанов Б.В. Механизм формирования структуры и разработка процессов получения поликристаллических волокон оксида алюминия для теплозащитных и теплоизоляционных материалов. Диссертация на соискание степени доктор технических наук (доклад). М.: ВИАМ, 2000.

82. Папилин Н.М., Капитанов А.Ф., Волков В.А., Гладышев А.Ю., Бабашов В.Г., Варрик Н.М. Обоснование рецептуры волокнистой суспензии // Химические волокна. 2009. № 5.

83. Технический отчет 41-421-086. Разработка материала из штапельного волокна окиси алюминия для работы при температуре 1500-1600 °С. М.: ВИАМ, 1987.

84. Дука A.B. Разработка технологии усовершенствованных кварцевых ТЗМ на основе принципов структурообразования волокнистых пульп. Автореферат диссертации на соискание степени кандидата технических наук. М.: ВИАМ, 1989.

85. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. JL: Химия, 1991.

86. ГОСТ 18992-80. Дисперсия поливинилацетатата гомополимерная грубодисперсная.

87. Патент US 4713275 В32В 1/06. NASA. США. Заявл. 4.11.1976 №683.183. Опубл. 15.12.1987.

88. Патент US 5928752 В22ВЗ/24 428/74. The Boeing Company. США. Заявл. 30.06.1997 № 08/885601. Опубл. 27.07.1997.

89. Патент US 5322725 B32B3/10. The Boeing Company. США. Заявл. 31.88.1988 № 238957. Опубл. 21.06.1994.

90. Электронный ресурс Dyson-Group. Официальный сайт компании. Режим доступа: www.dyson-group.com (режим доступа: 20.01.2015).

91. Доработка технологии получения высокотемпературных материалов. Научно-технический отчет № 4/29-2008, М.:ВИАМ, 2008.

92. Электронный ресурс Изоляционные материалы ЗАО "Изомат". Официальный сайт компании. Режим доступа: www.izomat.ru (дата обращения 20.01.2015)

93. Резник C.B., Просунцов П.В., Гринчук П.С. Исследование эффективной теплопроводности перспективных материалов тепловой защиты. Труды 3-й Междунар. конф. "Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применения, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий. Киев: Кацивели-Понизовка, 2004.

94. Бабашов В.Г., Луговой A.A., Карпов Ю.В. Влияние плотности на теплоизолирующие свойства волокнистых теплоизоляционных высокотемпературных материалов // Новости материаловедения. Наука и техника.

Электронный научно-технический журнал. 2013. №1. Режим доступа: http://materialsnews.ru (дата обращения 20.01.2015)

95. Луговой A.A., Бабашов В.Г., Карпов Ю.В. Доклад на конференции "Современные высокотемпературные композиционные материалы и покрытия". М.: ВИАМ, 2013.

96. Щетанов Б.В., Бабашов В.Г., Покрасс О.В. и др. Доработка технологии получения высокотемпературных материалов. Отчет по НИР. М.: ФГУП "ВИАМ", 2008.

97. Каблов E.H., Щетанов Б.В., Бабашов В.Г., Луговой A.A. Стенд для качественной оценки теплоизоляционных свойств материалов. Заявка на патент на полезную модель № 2014138716. Дата поступления 25.09.2014.

98. Власов A.C., Дрогин В.Н., Ефимовская Т.В. Лабораторный практикум по микроскопическим и рентгеновским исследованиям керамики. Уч. пособие, М.: МХТИ, 1980.

99. Выбор направлений исследований по получению гибкой высокотемпературной уплотнительной теплоизоляции. Проведение экспериментальных исследований и опытно-технологических работ по получению гибкого высокотемпературного уплотнительного теплоизоляционного материала плотностью 100 кг/м3, научно-технический отчет № № НТУ-42/2СМ-07/1.2-2009, М.: ВИАМ, 2009.

100. Проведение экспериментальных исследований и опытно-технологических работ по получению гибкого высокотемпературного уплотнительного теплоизоляционного материала плотностью 200 кг/м3, научно-технический отчет № НТУ-42/2СМ-07/2.3-2010, М.: ВИАМ, 2010.

101. Проведение экспериментальных исследований и опытно-технологических работ по получению гибкого высокотемпературного уплотнительного теплоизоляционного материала плотностью 300 кг/мЗ, научно-технический отчет № НТУ-42/2СМ-07/3.3-2011, М.: ВИАМ, 2011.

102. Разработка технологий изготовления гибкой высокотемпературной уплотнительной теплоизоляции для ракетно-космической техники, научно-технический отчет НТУ-42/2СМ-07/4.3-2012, М.: ВИАМ, 2012.

О п

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.