Разработка научных основ технологии производства крученых нитей из оксида алюминия для гибких высокотемпературных уплотнений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.02, доктор наук Медведев Александр Викторович

• Медведев Александр Викторович
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Медведев Александр Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ рынка материалов для гибких высокотемпературных уплотнений

1.2 Информационное обеспечение разработки направлений исследования

1.3 Методы получения керамических нитей

1.4 Керамические нити, получаемые по золь-гель методу

1.4.1 Керамические нити зарубежного производства

1.4.2 Керамические нити разработанные, в АО «НПО Стеклопластик»

1.4.3 Керамические нити разрабатываемые, в ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ

1.5 Анализ уровня готовности объекта исследования. Выбор направлений исследования

1.6 Выводы по главе

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕКСТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ И СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ КЕРАМИЧЕСКИХ

ЭЛЕМЕНТАРНЫХ НИТЕЙ

2.1 Исследование текстуры поверхности разрушения элементарных нитей

2.2 Исследование структуры поверхности элементарных нитей

2.3 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ХАРАКТЕРИСТИКИ ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ

НИТЕЙ

3.1 Внешнее трение в процессах кручения волокнистых материалов

3.2 Методы определения характеристик внешнего трения волокнистых материалов

3.3 Разработка методики определения характеристик внешнего трения

керамических нитей методом наклонной плоскости

3.4 Исследование зависимости характеристик внешнего трения керамических нитей от параметров фрикционного контакта

3.4.1 Исследование зависимости характеристик внешнего трения пар

«нить - сталь» от значений параметра шероховатости Ra стальных образцов

3.4.2 Исследование зависимости характеристик внешнего трения пар

«нить - нить» от нагрузки в зоне контакта

3.4.3 Исследование зависимости характеристик внешнего трения от

скорости скольжения нити по стальному цилиндрическому телу трения

3.4.4 Исследование зависимости характеристик внешнего трения нитей

от аспектного отношения текстуры поверхности пар трения

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ НИТЕЙ

4.1 Устройство и принцип работы универсального стенда для кручения

нитей по способу отдельной подачи нитей в зону формирования

4.2 Кручение нитей по способу отдельной подачи нитей в зону формирования

4.3 Исследование образования порока штопорная крутка при кручении по способу отдельной подачи нитей в зону формирования

4.4 Исследование влияния на натяжение нити параметров сматывания

с входной бобины

4.4.1 Оценка систематической погрешности результатов измерения натяжения нити

4.4.2 Измерение натяжения нити при сматывании с входной бобины

4.5 Выводы по главе

ГЛАВА 5 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ВЫРАБОТКИ КЕРАМИЧЕСКИХ КРУЧЕНЫХ НИТЕЙ

5.1 Требования к крученых нитям для гибких высокотемпературных уплотнений

5.2 Общие свойства элементарных нитей

5.2.1 Диаметр элементарных нитей

5.2.2 Механические свойства элементарных нитей

5.3 Общие свойства комплексных нитей

5.3.1 Поперечные размеры и линейная плотность комплексных нитей

5.3.2 Механические свойства комплексных нитей

5.3.2.1 Масштабный эффект механических свойств керамических комплексных нитей

5.3.2.2 Влияния скорости перемещения зажима разрывной машины на разрывную нагрузку

5.4 Теоретические и экспериментальные аспекты проектирования

крученых нитей

5.4.1 Исследование влияния натяжения при кручении на разрывную

нагрузку одиночных крученых нитей

5.4.2 Исследование влияния крутки на разрывную нагрузку

одиночных крученых нитей

5.4.3 Однокритериальная оптимизация круток

5.4.4 Расчет разрывной нагрузки одиночных, однокруточных

и многокруточных нитей

5.5 Выработка одиночных, однокруточных и многокруточных нитей

5.5.1 Выработка одиночных крученых нитей экспериментальной партии

5.5.2 Неровнота по линейной плотности и пороки одиночных крученых

нитей

5.5.3 Выработка и определение разрывной нагрузки однокруточных

и многокруточных нитей экспериментальной партии

5.6 Выработка и определение механических свойств

однокруточных и многокруточных нитей опытной партии

5.7 Выводы по главе

ГЛАВА 6 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ВЫРАБОТКА ГИБКИХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ИЗ КЕРАМИЧЕСКИХ КРУЧЕНЫХ НИТЕЙ

6.1 Исследование условий обеспечения герметичности в разъемных соединениях с гибкими высокотемпературными уплотнениями

6.2 Исследование условий обеспечения теплового сопротивления в разъемных соединениях с гибкими высокотемпературными уплотнениями

6.3 Типы гибких высокотемпературных уплотнений

6.3.1 Высокотемпературные шнуры наполненные общего назначения

6.3.2 Высокотемпературные шнуры наполненные специального

назначения

6.3.3 Высокотемпературные кольцевые волокнистые уплотнения

6.4 Проектирование и выработка высокотемпературных шнуров наполненных

6.4.1 Параметрические исследования структуры высокотемпературных шнуров наполненных

6.4.2 Расчет разрывной нагрузки нитей оплетки высокотепературных

шнуров наполненных

6.4.3 Исследование влияния деформации на микроструктуру порового пространства высокотемпературных шнуров наполненных

6.4.4 Выработка высокотемпературного шнура наполненного из керамических крученых нитей

6.5 Проектирование и выработка высокотемпературных кольцевых волокнистых уплотнений

6.5.1 Разработка параметров технологического режима выработки высокотемпературных кольцевых волокнистых уплотнений

6.5.2 Выработка и исследование микроструктуры порового пространства высокотемпературных кольцевых волокнистых уплотнений

6.5.3 Испытания гибких высокотемпературных уплотнений на

герметичность

6.6 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

РЕКОМЕНДАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕЙ

РАЗРАБОТКИ ТЕМЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ТАБЛИЦЫ

ИЛЛЮСТРАЦИИ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение № 1. Отчет о патентно-технических исследованиях

Приложение № 2. Нити керамические крученые. Временные

технические условия (ВТУ - 2018)

Приложение № 3. Временный технологический регламент на комплекс научно-исследовательских работ по выработке опытной

партии керамических крученых нитей (ВТР №1- 2018)

Приложение № 4. Временный технический регламент на комплекс научно-исследовательских работ по выработке экспериментальной партии

шнуров наполненных из керамических крученых нитей (ВТР №2-2019)

Приложение № 5. Протоколы испытаний керамических крученых нитей выработанных, по способу отдельной подачи нитей в зону формирования.. 279 Приложение № 6. Протоколы испытаний керамических крученых нитей

выработанных, по способу совместной подачи в зону формирования

Приложение №7. Акт испытаний на герметичность высокотемпературного

кольцевого волокнистого уплотнения

Приложение №8. Акт об использовании результатов диссертационной работы в АО «Композит»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка научных основ технологии производства крученых нитей из оксида алюминия для гибких высокотемпературных уплотнений»

ВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы. Разработка научных основ технологии производства керамических крученых нитей из оксида алюминия направлена на создание современных гибких высокотемпературных уплотнений. Разработка и производство гибких высокотемпературных уплотнений, применяемых в узлах герметизации разъемных соединений, работающих в зоне высоких температур и агрессивных сред, имеют большую практическую значимость для отечественной промышленности.

Объектом исследования диссертационной работы является технология производства крученых нитей из отечественных керамических комплексных нитей.

Предметами исследования диссертационной работы являются свойства и структура керамических комплексных, керамических крученых нитей и гибких высокотемпературных уплотнений из керамических крученых нитей, параметры технологического режима выработки керамических крученых нитей и гибких высокотемпературных уплотнений из керамических крученых нитей.

Цель работы состоит в разработке научных основ технологии производства крученых нитей из оксида алюминия .для гибких высокотемпературных уплотнений.

Для достижения данной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Исследована текстура поверхности разрушения и структура поверхности керамических элементарных нитей.

2. Исследовано влияние параметров фрикционного контакта на характеристики внешнего трения керамических комплексных и крученых нитей.

3. Разработка теоретических основ кручения нитей по способу отдельной подачи нитей в зону формирования.

4. Разработка теоретических основ проектирование одиночных, однокруточных и многокруточных нитей керамических нитей из отечественного сырья.

5. Разработка параметров технологического режима выработки и выработка керамических крученых нитей.

6. Разработка параметров технологического режима выработки и выработка высокотемпературных шнуров наполненных из керамических крученых нитей.

8. Разработка конструкции высокотемпературных кольцевых волокнистых уплотнений и устройств для выработки кольцевых волокнистых уплотнений.

9. Разработка параметров технологического режима выработки и выработка высокотемпературных кольцевых волокнистых уплотнений.

10. Исследована микроструктура порового пространства высокотемпературных шнуров наполненных и высокотемпературных кольцевых волокнистых уплотнений.

Основные методы исследований. В основу работы положены результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложенные в трудах отечественных и зарубежных учёных.

Теоретические исследования проводились с целью определения задач, создания гипотез и оценки полученных прецедентов.

При выполнении экспериментальных исследований выполнялась проверка научных гипотез с использованием следующих методов: механики текстильных нитей, коллоидной химии, фрактографии, рентгеновской, оптической и сканирующей зондовой микроскопии, рентгеновской компьютерной микротомографии, определения физико-механических свойств текстильных материалов по действующей нормативно-технической документации и оригинальным методикам, разработанным в соответствии с отечественной и зарубежной научно-технической документацией и литературой. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялись с применением методов математической статистики для обеспечения высокой достоверности результатов.

Вид научного исследования. В диссертационной работе проведены поисковые исследования, направленные на разработку научных основ технологии производства керамических крученых нитей. Результаты исследований должны продемонстрировать работоспособность технологии на макетах в лабораторных условиях, в соответствии с достигнутым уровнем готовности технологии.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке теоретического, экспериментального и методического обеспечения проектирования керамических крученых нитей, разработке технологии производства керамических крученых нитей из отечественного сырья для гибких высокотемпературных уплотнений, работающих при температуре до 1600оС. В работе применен метод научно обоснованных исследований или исследований, основанных на доказательствах (Evidence-based research; EBR), который заключается в систематическом изучении существующих физических данных предметов исследования, определении необходимых теоретических и экспериментальных методов исследования.

Применительно к проблематике диссертации по стандартным и оригинальным методикам исследованы впервые.

- текстура поверхности разрушения отечественных керамических элементарных нитей;

- дефекты отечественных керамических элементарных нитей;

- структура поверхности отечественных керамических элементарных нитей;

- влияние на характеристики внешнего трения отечественных керамических комплексных и крученых нитей параметров фрикционного контакта;

- механические свойства отечественных керамических комплексных и крученых нитей;

- кручение нитей по способу отдельной подачи нитей в зону формирования;

- параметры структуры и характеристики пористости высокотемпературных шнуров наполненных и высокотемпературных кольцевых волокнистых уплотнений.

В соответствии с целями диссертационной работе впервые:

- разработаны и апробированы параметры технологического режима выработки отечественных керамических крученых нитей;

- разработаны и апробированы параметры технологического режима выработки высокотемпературных шнуров наполненных из отечественных керамических крученых нитей;

- разработана конструкция нового типа гибкого высокотемпературного уплотнения - высокотемпературного кольцевого волокнистого уплотнения и устройства для его реализации;

- разработаны и апробированы параметры технологического режима выработки высокотемпературных кольцевых волокнистых уплотнений;

Теоретическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований заключается в разработке теоретических основ кручения нитей по способу отдельной подачи нитей в зону формирования и проектирования керамических крученых нитей, что позволит вырабатывать керамические крученые нити с заданными механическими свойствами. Разработаны теоретические основы исследования структуры высокотемпературных шнуров наполненных и кольцевых волокнистых уплотнений, что позволит вырабатывать гибкие высокотемпературные уплотнения оптимальной структуры.

Практическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований заключается в создании инновационного научно-технического задела, обеспечивающего четвертый уровень готовности технологии производства - УГТ4 крученых нитей и второй уровень готовности технологии производства -УГТ2 гибких высокотемпературных уплотнений из отечественных керамических крученых нитей:

- выработаны керамические крученые нитей с линейной плотностью и разрывной нагрузкой, обеспечивающей выработку гибких высокотемпературных уплотнений;

- выработан высокотемпературный шнур наполненный из керамических крученых нитей;

- разработана конструкция уплотнения нового типа - высокотемпературного кольцевого волокнистого уплотнения;

- разработана конструкция и изготовлен станок для обмотки кольцевого уплотнения;

- выработаны высокотемпературные кольцевые волокнистые уплотнения;

- результаты диссертационного исследования использовались АО «Композит» при выполнении ОКР по теме «Разработка технологии изготовления работоспособных в окислительных средах теплоизоляционных материалов и герметизирующих гибких уплотнений для ГЛА и тракта ГПВРД, объемно -армированных структур эластичного шарнира поворотного управляемого сопла РДТТ», шифр НИР: «Сборка».

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях: ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ (Москва, 2013 г.), ФГБОУ ВО МГУТД (Москва, 2015 г.), ФГБУ ВО «ИВГПУ» (Иваново, 2017 г.), ФГБОУ ВО РГУ им. А.Н. Косыгина (Москва, 2017 г.), ФГБОУ ВО СПбГУПТД (Санкт - Петербург, 2018 г.), ФГБОУ ВО РГУ им. А.Н. Косыгина (Москва, 2019 г.), ОНПП «Технология» (Обнинск, 2019 г.), УО «ВГТУ» (Витебск, 2019 г.), ФГБОУ ВО РГУ им. А.Н. Косыгина (Москва, 2021 г.), ПАО РКК «Энергия» (Королев, 2021 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 статья, в том числе 31 в журналах, входящих в «Перечень ВАК», 19 статей в журналах, рецензируемых в международных базах научного цитирования, а также 1 патент РФ на изобретение, 22 доклада на научных конференциях.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав с заключением, основными результатами и выводами по работе, рекомендациями по дальнейшей разработке темы, списка литературы, иллюстративного материала и приложений. Работа изложена на 293 страницах машинописного текста, содержит 85 таблиц и 106 рисунков. Список используемых литературных источников включает 108 наименований.

ГЛАВА 1 ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ рынка материалов для гибких высокотемпературных уплотнений

Возрастающие требования к защите оборудования от высоких температур и снижению энергопотребления стимулируют разработку высокотемпературной теплоизоляции и уплотнений. Материалами служат оксид кремния (кремнезем, кварц), тугоплавкие оксиды и карбиды, т.е. оксидная керамика и безоксидная керамика. По номенклатуре материалы представлены волокнами, рублеными комплексными нитями (штапельными волокнами), ровингом и кручеными нитями. Температура длительной эксплуатации материалов для высокотемпературной теплоизоляции и уплотнений представлены на рисунке 1.1.

2000

Кремнезем Кварц

Наименование материала

Карбид Оксид Оксид кремния алюминия циркония

Рисунок 1.1 - Температура длительной эксплуатации материалов для высокотемпературной теплоизоляции и уплотнений

Объем данного исследования ограничивается волокнами, нитями и текстильными изделиями из оксидной керамики и не рассматривает волокна, нити и текстильные изделия из безоксидной керамики.

Рынок высокотемпературной изоляции (High Temperature Insulation - HTI) включает в себя несколько сегментов, среди которых для выполняемого исследования в первую очередь представляют интерес керамические волокна (Ceramic Fibers) и керамический текстиль (Ceramic Textils). Керамические волокна нашли относительно большой и все еще растущий рынок в качестве заменителя асбеста для высокотемпературной изоляции в виде плит и матов. Керамические волокна изготавливаются по технологии плавления минерального сырья с раздувом воздухом или центробежным раздувом. Эти короткие волокна обычно неоднородны по диаметру, но их качество достаточно для применения в качестве материалов для высокотемпературной изоляции. Более качественными являются штапельные волокна, имеющие небольшие отклонения по диаметру элементарных нитей. Рынок керамических волокон для HTI в 2012 году по объему производства составил 353,9 тыс. т, а по объему продаж 1733,4 миллионов долларов США. Как ожидалось с 2013 по 2020 год рост CAGR для HTI составит 5,4% по объему производства и 7,5% по объему продаж [1]. Реальный ежегодный рост CAGR по объему производства составил 8,2% [2].

CAGR (Compound annual growth rate) - совокупный среднегодовой темп роста. Используется для описания некоторых элементов бизнеса: выручки, поставленной продукции и т.д. CAGR эквивалентен общей экспоненциальной скорости роста, когда интервал экспоненциального роста составляет один год:

i

CAGR(t0ltn) = [(nO/nto))^0 - 1] X 100% (1.1)

где V(t0) —начальное значение показателя; V(tn) —конечное значение показателя; tn — t0 —количество лет.

Объем выпуска керамического текстиля, включающего ткани, ленты и плетеные изделия, имеет небольшую долю HTI. Керамические текстильные материалы вырабатывают из нитей, получаемых по золь-гель методу. За такими материалами закрепилось наименование тугоплавкие керамические волокна -

Refractory Ceramic Fiber (RCF). Материалы из RCF имеет низкую теплопроводность, высокую стойкость к тепловому удару, высокое электрическое сопротивление и коррозионную стойкость. Это оправдывает широкое использование RCF в качестве теплоизоляционных и уплотнительных материалов, а также для армирования металлов и керамики в области металломатричных и керамоматричных композитов.

Мировой рынок керамического текстиля прогнозировался на уровне 132,5 млн. долларов США к 2021 году по сравнению с 74,5 млн. долларов США в 2015 году. Прогнозировался рост показателя CAGR на уровне 9,94% в год за период с 2016 по 2021 год [3]. Ежегодный реальный рост рынка керамиче^ого текстиля с 2016 по 2019 год по CAGR составлял 10,2% [4].

На рынке материалов промышленного применения из RCF наиболее заметна 3M Company (США). На рисунке 1.2 представлена номенклатура керамических текстильных материалов, производства 3M Company: 1 - крученые нити, 2 - ленты, 3 - шнуры, 4 - ткани [5].

Рисунок 1.2 - Номенклатура текстильных керамических материалов

производства 3M Company

По мнению ряда исследователей рост рынка керамических текстильных материалов сдерживается высокой стоимостью производства [3, 6, 7]. Однако цены на керамические материалы не всегда отражают затраты на производство. Влияние на себестоимость производства затрат на разработку и внедрение керамических материалов недостаточно исследовано и ценообразование во многом зависит от спроса.

Производство керамических текстильных материалов сопряжено с рядом проблем в производстве: прекурсоры для прядильного раствора должны иметь высокую химическую чистоту; крученые нити имеют очень большую длину на единицу массы; оборудование, используемое для производства комплексных нитей, кручения и дальнейшей текстильной переработки, узкоспециализированное. В таблице 1. 1 представлена цена за один килограмм керамических крученых нитей производства 3M Company для партии более ста килограммов [7]. Таблица 1.1 - Цена за один килограмм керамических крученых нитей

производства 3M Company

Марка нитей Количество элементарных нитей Линейная плотность Цена за 1 кг, евро

Денье Текс

3MTM Nextel™ 312 750 1800 200 260

3MTM Nextel™ 440 750 2000 222 500

3MTM Nextel™ 550 750 2000 222 590

3MTM Nextel™ 610 400 1500 167 790

750 3000 333 600

2550 10000 1111 440

3MTM Nextel™ 720 400 1500 167 790

750 3000 333 600

По данным, представленными в работе [7], цена крученых нитей 3MТМ NextelTM 610 линейной плотностью 3000 денье (333 текс) в три раза выше цены комплексных нитей аналогичной марки и линейной плотности.

Цены на керамические нити могут быть снижены за счет увеличения объема производства, что приведет к снижению фиксированных затрат. Проводимые производителями керамического текстиля и независимыми экспертами

исследования по прогнозированию цен и затрат показали низкую точность прогнозов из-за сложности производства (высокие затраты на основной капитал, длительный производственный цикл) и низкий объем продаж.

Одним из способов снизить цены (при низких объемах продаж) состоит в создании производства для выпуска небольших объемов нитей и текстильных материалов. Однако, после более чем 30 лет исследований и разработок в области керамических текстильных материалов этот способ не был реализован.

Исследования, проведенные 3M Company, продемонстрировали, что снижение затрат на производство возможно достичь увеличением количества элементарных нитей в комплексной нити с сохранением их номинального диаметра. На рисунке 1.3 представлено сравнение затрат на производство комплексных нитей различной линейной плотности [8].

100%

н е 80%

ZT

е

и н 60%

е

3

о 40%

н

т

о

о О 20%

0%

I

1500 3000 4500 10000

Линейная плотность, денье

Рисунок 1.3 - Сравнение затрат на производство комплексных нитей различной

линейной плотности

Комплексные нити 3М™ №х1е1тМ 610 и 3МТМ Кех1е1тМ 720 линейной плотностью 1500 денье (167 текс) взяты за 100%, и показано снижение затрат в процентах при производстве нитей более высокой линейной плотности. Сравнительная оценка показала, что при переходе на выпуск нитей с большей линейной плотностью затраты могут быть значительно снижены [8].

В Российской Федерации на рынке представлены высокотемпературная теплоизоляция и уплотнения, в которых используются стеклянные, базальтовые, кварцевые и кремнеземные материалы (штапельные волокна, ровинг, крученые нити). Текстильные материалы из оксидной и безоксидной керамики на рынке отсутствуют.

Основным поставщиком материалов для высокотемпературных уплотнений на отечественный рынок является АО «НПО Стеклопластик» - крупнейший, а по некоторым направлениям единственный в России научно-производственный центр, реализующий полный цикл: «исследование - разработка -производство». Объем реализации продукции, выполненных работ и услуг АО «НПО Стеклопластик» в 2011-2019 гг. представлен на рисунке 1.4 [9].

2500

10 2000 а.

^ 1500

I 1000 >

о 500 0

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Отчетный год

Рисунок 1.4 - Объем реализации продукции, выполненных работ и услуг АО «НПО Стеклопластик» за период в 2011-2019 гг.

В настоящее время более 100 наименований продукции выпускается в обеспечение нужд оборонной промышленности. Объем реализации продукции по гособоронзаказу АО «НПО Стеклопластик» в 2011-2019 гг. представлен на рисунке 1.5 [9].

В производстве высокотемпературных уплотнений для гособоронзаказа применяются кварцевые и кремнеземные материалы.

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Отчетный год

Рисунок 1.5 - Объем реализации продукции по гособоронзаказу АО «НПО Стеклопластик» в 2011-2019 гг.

Свойства кварцевых и кремнеземных нитей представлены в таблице 1.2 [10].

Таблица 1.2. - Свойства кварцевых и кремнеземных материалов

Наименование показателя Кварц Кремнезем

БЮ2, %, по массе 99,9 94 - 96

АЬОз, %, по массе -- 3,5 - 4,0

Диаметр, мкм: 10 - 12 6 - 9

Плотность, кг/м3 2200 2056

Температура длительной эксплуатации, °С 1250 1000

Температура кратковременного воздействия, °С 1400 1200

Объем выпуска кремнеземных и кварцевых материалов АО «НПО Стеклопластик» в 2015-2019 гг. представлен в таблице 1.3 [9]. Таблица 1.3 - Объем выпуска кварцевых и кремнеземных материалов АО «НПО Стеклопластик» в 2015-2019 гг.

Наименование материала 2015 2016 2017 2018 2019

Кварцевые нити, т 2,38 3,14 3,31 3,99 4,17

Кварцевые ткани, тыс. п.м. 9,05 14,55 17,67 18,34 22,17

Кремнеземные нити, т 606 799 872 1013 1252

Кремнеземные ткани, тыс. п.м. 193 291 376 390 416

На рисунке 1.6 приведен объем производства кремнеземных шнуров наполненных АО «НПО Стеклопластик» в 2015 - 2019 гг. [9].

60

8 50 13

540

ш

§ 30

о

с

с 20

а)

й 10 О

0

2015 2016 2017 2018

Отчетный год

2019

Рисунок 1.6 - Объем производства кремнеземных шнуров наполненных в АО «НПО Стеклопластик» за 2015 - 2019 гг.

АО «НПО Стеклопластик» производит шнуры наполненные с оплеткой и наполнителем из крученых кварцевых нитей, с оплеткой из крученых кремнеземных нитей и наполнителем из кремнеземных крученых нитей, кремнеземного ровинга, кремнеземного нетканого материала.

Проведенный анализ производственной деятельности АО «НПО Стеклопластик» показал, что спрос на высокотемпературные теплоизоляционные и уплотнительные материалы существует и постоянно растет.

1.2 Информационное обеспечение разработки направлений исследования

C целью оценки технического уровня, тенденций и прогноза развития объекта исследования проведены патентно-технические исследования (Приложение №1). По результатам анализа открытых литературных источников

определены направления, отличающиеся особой значимостью для проводимого исследования:

1. Основные требования к крученым нитям.

2. Структура и физико-механические свойства крученых нитей.

3. Типы гибких высокотемпературных уплотнений.

4. Основные требования к гибким высокотемпературным уплотнениям.

Под гибкостью высокотемпературных уплотнений - шнуров наполненных и

кольцевых волокнистых уплотнений в дальнейшем будет пониматься отношение размера поперечного сечения уплотнения к диаметру цилиндра, вокруг которого можно изогнуть уплотнение без повреждения нитей оплетки. При сравнении двух уплотнений более гибким будет то, у которого указанное выше отношение будет больше.

Aнализ рынка материалов для высокотемпературных уплотнений, охранных документов и научно-технических источников показали, что производством керамических крученых нитей на основе oксида алюминия занимаются фирмы ведущих промышленно развитых стран мира: 3M Company, E.I. du Pont de Nemours Company, Unifrax - США, Mitsui Mining, Sumimoto Chemical - Япония, Hiltex SemiProducts - Нидерланды и другие.

В Российской Федерации ФГУП ВИАМ ГНЦ РФ и АО «Композит» проводят исследования по организации производства керамических крученых нитей для гибких высокотемпературных уплотнений.

Основными тенденциями развития в области производства керамических нитей является повышение механических свойств и температуры эксплуатации. Повышение механических свойств может быть обеспечено совершенствованием технологии производства комплексных и крученых нитей. Повышение температуры эксплуатации может быть достигнуто использованием керамики на основе оксида циркония с температурой плавления более высокой, чем у оксида алюминия.

Основной тенденцией развития в области гибких высокотемпературных уплотнений является повышение герметичности узлов уплотнений разъемных

неподвижных и подвижных соединений за счет применения кольцевых волокнистых уплотнений.

Анализ литературных источников подтвердил актуальность выбранного направления диссертационной работы. Керамические нити из оксида алюминия в настоящее время являются безальтернативным материалом для гибких высокотемпературных уплотнений с рабочей температурой до 1600°С.

1.3 Методы получения керамических нитей

Текстильные керамические нити из оксидной керамики получают по золь-гель методу [5, 11] и по методу выщелачивания легкоплавких оксидов [12].

Метод выщелачивания легкоплавких оксидов разработан и внедрен ВНИИ стеклопластиков и стекловолокна (ВНИИСПВ) в конце 1950-х годов. В 1960-х годах данным методом были получены алюмокремнеземные нити с высоким содержанием оксида алюминия (вес. %): А12О3 - 64 - 65 %; БЮ2 - 27 -28 %; В2О3 - 5 - 6 %; №2О - 1 - 2 %. Прочность исходных нитей из натриийалюмоборосиликатного стекла составляла 1100-1300 МПа, но после выщелачивания снижалась до 300-500 МПа, в связи с чем метод распространения не получил [12].

Промышленное производство керамических нитей основано на использовании золь-гель метода и включает следующие стадии: 1. Приготовление прядильного раствора. Прядильный раствор получают смешиванием прекурсоров оксида алюминия и диоксида кремния с волокнообразующим полимером, например, поливиниловым спиртом. Полученный раствор после фильтрации доводят до необходимой вязкости. Прекурсорами оксида алюминия служат карбоксилат или гипохлорид алюминия, прекурсором диоксида кремния - силиказоль.

2. Формование через фильеру с получением первичных комплексных нитей.

3. Термообработка первичных комплексных нитей.

В керамических нитях, предназначенных для текстильной переработки, соотношение между оксидами А1203 и БЮ2, как правило, находится в пределах 60^85:40^15 (% масс.). Это вполне оправдано тем, что нити имеют достаточную гибкость и в тоже время находятся в твердой фазе (рисунок 1.7) до температуры не ниже 1890°С±10оС [13].

о

о

Ш

сс

сс ш о.

г ш

2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500

10

20

МОЬЕ % 30 40 50

60 70 80 90 100

1 11111 иоию МиШТЕ^ 1 1 1 УМ-2 03 + / иоию _

_ БЮг ^^^^ 1 + ^^ М11ШТЕ / у иоию + / \/ иоию / _ \/ 1587СС ± 10°С I //1890"С ± 10"С I М1)ШТЕ + i а12оз _ 1 1

ЗЮ2+МиШТЕ ! 1 1 1 1 1 1 |! 1

0 вЮг

10 20 30 40 50 60 \Л/ЕКЗНТ%

70 80

90 100 А1_2Оз

Рисунок 1.7 - Диаграмма состояния системы А1203 - БЮ2

Схематическое изображение процесса получения керамических комплексных нитей представлено на рисунке 1.8 [14]. Прядильный раствор из напорного бака - 1 подается к фильере - 2, затем первичные комплексные нити 3 подаются в низкотемпературную печь - 4, затем в высокотемпературную печь - 5. Намотка комплексных нитей - 6 осуществляется на бобину - 7.

Рисунок 1.8 - Схема процесса получения керамических комплексных нитей

На рисунке 1.9 представлены фильерная головка и сушильный контейнер установки для получения комплексных нитей [15].

Рисунок 1.9 - Фильерная головка и сушильный контейнер установки для

получения комплексных нитей

1.4 Керамические нити, получаемые по золь-гель методу

1.4.1 Керамические нити зарубежного производства

Основными производителями крученых керамических нитей для гибких высокотемпературных уплотнений являются фирмы 3M Company [5] и Hiltex Technical Textiles [11].

В таблице 1.4 представлены производитель, марка и свойства керамических элементарных нитей [5, 11].

Таблица 1.4 - Производитель, марка и свойства керамических элементарных

нитей

Производитель, марка нити Диаметр, мкм Плoтность, кг/м3 Прочность, МПа Модуль упругости, ГПа

Hiltex Technical Textiles, ALF 60/40 7 2800 1900 180

Hiltex Technical Textiles, ALF 72/28 7 2900 1800 190

3М Company, 3МТМ Nextel™ 312 10 - 12 2700 1700 152

3М Company, 3МТМ Nextel™ 440 10 - 12 3050 2000 190

3М Company, 3МТМ Nextel™ 550 10 - 12 3030 2000 193

Свойства керамических комплексных нитей 3МТМ Nextel™ 3M Company представлены в таблице 1.5 [5].

Свойства крученых керамических нитей 3МТМ Nextel™ 3М Company представлены в таблице 1.6 [5].

Таблица 1.5 - Свойства керамических комплексных нитей 3МТМ Nextel™

Марка Числo элементарных нш^й Линейная плотность, денье/текс Разрывная нагрузка, Н

3MTM Nextel™ Served Roving 312 400 900/100 31,36

3MTM Nextel™ Served Roving 440 400 1000/111 40,18

3MTM Nextel™ Served Roving 550 400 1000/111 40,18

Таблица 1.6 - Свойства керамических крученых нитей 3MTM Nextel™

Марка Структура Линейная плотность, денье/текс Разрывная нагрузка, Н

3MTM Nextel™ Plide Yarn 312 1/2 1800/200 84,28

3MTM Nextel™ Plide Yarn 440 1/2 2000/222 89,18

3MTM Nextel™ Plide Yarn 550 1/2 2000/222 93,10

Крученые керамические нити 3MTM Nextel™ 312, 3MTM Nextel™ 440, 3MTM Nextel™ 550 предназначены для гибких высокотемпературных уплотнений, применяемых в энергетической, металлургической и авиационно-космический промышленности. Нити 3MTM Nextel™ 550 не содержат бор и, соответственно, не имеют стеклообразной фазы, присутствующей в нитях 3MTM Nextel™ 312, и в большей степени сохраняют свою прочность при высокой температуре. На рисунке 1.10 предоставлены данные по потере прочности при нагреве керамических нитей 3MTM Nextel™ 312 и 3MTM Nextel™ 550 [13]. За 100% принята прочность при 500°С.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Медведев Александр Викторович, 2022 год

- 35 с.

65. ASTM D2256 / D2256M - 10e1. Standard Test Method for Tensile Properties of Yarns by the Single-Strand Method [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.astm.org/Standards/D2256.htm. (дата обращения 20.07.2017).

66. Мортон, В.Е. Механические свойства текстильных волокон / В. Е. Мортон, Д. В. С. Херл; Пер. с англ. канд. техн. наук М. В. Ковачевой и Ф. Ю. Либ; Под ред. д-ра техн. наук, проф. Г. Н. Кукина - М.: Легкая индустрия, 1971. - 181 с.

67. Нарисава, И. Прочность полимерных материалов / И. Нарисава; Под ред. Т. Екобори; Пер. с яп. Ю. М. Товмасяна; Под ред. А. А. Берлина. - М.: Химия, 1987.

- 397 с.

68. Севостьянов, А.Г. Методы и средства исследования механико-технологических процессов текстильной промышленности / А.Г. Севостьянов. -М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007. - 648 с.

69. ГОСТ Р ИСО 16549-2008 Материалы текстильные. Метод определения неравномерности продуктов прядения. Емкостный метод; введ. 01.01.2010. - М.: Изд-во стандартов, 2008. - 7 с.

70. Рыклин, Д.Б. Оценка качества текстильных нитей и полуфабрикатов с использованием приборов USTER TESTER: монография / Д.Б. Рыклин, С.С. Медвецкий. - Витебск: УО «ВГТУ», 2017. - 168 с.

71. ГОСТ 28753.2-90. Нити текстильные. Метод определения неравновесности; введ. 01.01.1992. - М.: Изд-во стандартов. 1991. - 6 с.

72. ГОСТ 6943.8 - 2015 Материалы текстильные стеклянные. Метод определения массовой доли влаги и веществ, удаляемых при прокаливании; введ. 01.06.2016. - М.: Изд-во стандартов. 2015. - 8 с.

73. Стасенко, К. С. Интеллектуальная информационно-измерительная система допускового контроля теплопроводности теплоизоляционных материалов: дис. ... канд. техн. наук: 05.11.16 / К.С. Стасенко; ТГТУ - Тамбов, - 2014. - 234 с.

74. Демкин, Н.Б. Компьютерные модели фрикционного контакта / Н.Б. Демкин // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел и деталей машин: Межвуз. сб. науч. тр. Выпуск 2. Под ред. Н.Б. Демкина/ Твер. гос. техн. ун-т. - Тверь: 2006. С. 4 - 14.

75. ГОСТ Р ИСО 25178 - 2 - 2014. Геометрические характеристики изделий (GPS). Структура поверхности. Ареал. (Часть 2). Термины, определения и параметры структуры поверхности; введ. 01.01.2016. - М.: Изд. - во стандартов, 2016. - 66 с.

76. Орлов, М. Е. Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен: учебное пособие / М. Е. Орлов. - Ульяновск: УлГТУ, 2013 - 204 с.

77. Меснянкин, С.Ю. Определение контактного термического сопротивления на базе трехмерного моделирования соприкасающихся поверхностей / С.Ю. Меснянкин, А.Д. Ежов, А.А. Басов // Известия РАН. Энергетика. - 2014. - № 5. -С. 65 - 74.

78. Maqsood, Asghari. Thermal conductivity of ceramic fibres as a function of temperature and press load/ Asghari Maqsood, Vadim Gumen, et al. // JOURNAL OF PHYSICS D: APPLIED PHYSICS. Volume 33(16). 2000 P. 2057 - 2063.

79. Thermal Conductivity. Theory, Properties, and Applications. Edited by Terry M. Tritt. Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2004. - 290 p.

80. High Temperature Dynamic Engine Seal Technology Development NASA Technical Memorandum 105641. [Электронный ресурс] / M. Steinetz Bruce, DellaCor te Christopher, and all. . Lewis Research Center, Cleveland. 1992. 26 p. - Режим доступа: http: //www.sti.nasa.gov. (дата обращения 05.12.2018).

81. Advanced High Temperature Structural Seals [Электронный ресурс] / W. Newquist Charles, Verzemnieks Juris, and all. NASA/CR-2002-211973. The Boeing Company, Washington. 109 p. - Режим доступа: https://ntrs. nasa.gov./search.jsp. (дата обращения 05.12.2018).

82. Kamran Daryabeigi. Thermal Properties for Accurate Thermal Modeling. Thermal and Fluids Analysis [Электронный ресурс] / Daryabeigi Kamran. Workshop Hampton, VA, August 15 - 19, 2011. 46 p. - Режим доступа: https://pdfslide.net /documents/thermal-properties-for-accurate-thermal-modeling-properties-thermal-properties.html. (дата обращения 05.12.2018).

83. Sabahat Nawaz. Braided cords in flexible composites for aerospace and automotive applications [Электронный ресурс] / Nawaz Sabahat //Textile Composites Group School of Materials The University of Manchester 2013. 170 p. Режим доступа: https://www.escholar.manchester.ac.uk/api/datastream?publication Piduk-ac-man-scw:232066&datastreamId=FULL-TEXT.PDF. (дата обращения 05.12.2018).

84. ООО «Изоляция» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. termoizol.pro/shnury. (дата обращения 05.12.2018).

85. Балинова, Ю.А. Высокотемпературные теплозащитные, керамические и металлокерамические композиционные материалы для авиационной техники нового поколения / Ю. А. Балинова, Д. В. Гращенков, А. А. Шавнев [и др.] //Вестник концерна ВКО «Алмаз - Антей». - 2020. - № 2 (33). - С. 83 - 92.

86. Гофин, М. Я. Жаростойкие и теплозащитные конструкции многоразовых аэрокосмических аппаратов / М. Я. Гофин - М.: 2003 (АООТ Твер. полигр. комб.).

- 671 с.

87. Flexible Mechanical Seal Concepts [Электронный ресурс]. National Energy Technology Laboratory, July 9, 2003. - 7 p. - Режим доступа: https://www.net l.doe.gov/. (дата обращения 05.12.2018).

88. A Test Fixture for Measuring High-Temperature Hypersonic-Engine Seal Performance NASA Technical Memorandum 103658. [Электронный ресурс] / M. Steinetz Bruce. Lewis Research Center Cleveland, Ohio. December, 1990. 20 p. - Режим доступа: http://www.sti.nasa.gov. (дата обращения 06.12.2018).

89. Improved hypersonic engine seals NASA Technical Memorandum-2003-212531. [Электронный ресурс] / P.H. Dunlap, Jr. and B.M. Steintz, J.J. DeMange, S.C. Taylor. Glenn Research Center, Cleveland, Ohio. 2003. 23 p. - Режим доступа: http://www.sti.nasa.gov. (дата обращения 07.12.2018).

90. Toward an Improved Hypersonic Engine Seal [Электронный ресурс] / H. Dunlap, Jr. and M. Steinetz Bruce, J. DeMange Jeffrey, Shawn J. DeMange. Conference: 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit

- Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/268479777_Toward_an_ Improved_Hypersonic_Engine_Seal. (дата обращения 07.12.2018).

91. Development of Braided Rope Engine Seals NASA Technical Memorandum NASA-TM-105902. [Электронный ресурс] / K. Frank, Cai Zhong and Mutharasan Rajakkannu, M. Steinetz Bruce. Lewis Research Center Cleveland, Ohio. 1994. 16 p. -Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/24294865_Development_of _braided_rope_engine_ seals. (дата обращения 07.12.2018).

92. Конкурсная документация на проведение открытого конкурса на право заключения государственных контрактов по Государственной программе Российской Федерации «Развитие оборонно-промышленного комплекса» на выполнение на опытно-конструкторской работы «Разработка технологии изготовления работоспособных в окислительных средах теплоизоляционных

материалов и герметизирующих гибких уплотнений для ГЛА и тракта ГПВРД, объемно-армироармированных структур эластичного шарнира поворотного управляемого сопла РДТТ» (шифр «Сборка») [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http//synapsenet.ru/zakupki/fz44/099500000021700013 5%231 --moskva-razrabotka-tehnologii-izgotovleniya. (дата обращения 08.12.2018).

93. Методика определения уровней готовности технологии в рамках проектов ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014 - 2020 годы» (утв. Минобрнауки России 11.07.2017 N ГТ-57/14вн) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://legalacts.ru/doc/metodika-opredelenija-urovnei-gotovnosti-tekhnologii-v-ramkakh-proektov-federalnoi/. (дата обращения 12.01.2021).

94. Anita D. Liang. Seals Flow Code Development1993 [Электронный ресурс / D. Liang Anita, C. Hendricks Robert. Published 1994. Computer Science ] - Режим доступа: https://www.semanticscholar.org/paper/Seals-Flow-Code-Development-1993-Liang-Hendricks/. (дата обращения 12.06.2018).

95. ООО «Текс - Интер» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tex-inter.ru. (дата обращения 12.06.2018).

96. Seal Testing of Large Diameter Rocket Motors [Электронный ресурс] / N. Moore, J.W. Hellums et al. //Journal of Propulsion and Power, Volume 7 1991. (No. 2), p. 156 - 162. - Режим доступа: https://www.semanticscholar.org/paper/Seal-testing-of-large-diameter-rocket-motors-Moore-Hellums/b9be681297d628b91 d47e5cc8eca691 d 6225d27d. (дата обращения 12.06.2018).

97. Jeffrey Foote. Titan IV Solid Rocket Motor Upgrade Program at Alliant Techsystems Inc. [Электронный ресурс] / Foote Jeffrey// AIAA 97-2991, Foote, p. 1 - 5, (Jul 1997). - Режим доступа: https://www.scilit.net/journal/1416156. (дата обращения 12.06.2018).

98. Patent US 6446979B1. Int. Cl. F16L 21/03, F16L 23/02. Rocket motor joint construction including thermal barrier. Bruce M. Steinetz и Patrick H. Dunlap, Jr. Filed 27.06.2000, Publication Date 10.09.2002.

99. Patent US 6511076 B1. Int. Cl. F16J 15/38. Fiber gasket and method of making

same. Siemens Westinghouse Power Corporation. Filed 21.09.2000, Publication Date 28.01.2003.

100. RU 2708174 C1. МПИ F16L 17/02. Способ изготовления гибкого замкнутого высокотемпературного уплотнения/ А.А. Архипов, В.С. Волков, И.А. Тимофеев. Заявл. 26.02.2019, опубл. 04.12.2019. Бюл. №16.

101. Pyro Shield Inc. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www. pyroshi-eld.com. (дата обращения: 04.07.2019).

102. Tenglong Sealing Products Manufactory [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sealings.cn. (дата обращения: 04.07.2019).

103. Ивахненко, Ю.А. Высокотемпературные волокнистые уплотнительные материалы/ Б.В. Баруздин, Н.М. Варрик, В.Г. Максимов //Авиационные материалы и технологии. - 2017, - № S. - С. 272 - 289.

104. Папилин, Н. М. Разработка технологии получения изделий технического назначения из термостойких волокон: дис. ... канд. техн. наук: 05.19.02 / Н.М. Папилин; МГТУ им. А.Н. Косыгина. - М., 2010. - 159 с.

105. Кларк Эшли Р. Микроскопические методы исследования материалов. Перевод с английского С.Л. Баженова / Кларк Эшли Р., Эберхардт Колин Н. - М.: Техносфера, 2007. - 376 с.

106. Yudina, A. Mechanistic understanding of soil hierarchical structure / A. Yudina, K. Romanenko // European Geosciences Union General Assembly 2019.

Vol. 21 of Geophysical Research Abstracts [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://meetingorganizer.copernicus.org/EGU2018/EGU2018-884-3.pdf. (дата обращения: 28.12.2020).

107. Патент RU 2722681 С1. МПК F16J 15/18 Сальниковое высокотемпературное уплотнение / А.В. Медведев. Заявл. 04.09.2019, опубл. 03.06.2020. Бюл. №16.

108. ГОСТ 33257-2015. Арматура трубопроводная. Методы контроля и испытаний; введ. 26.02.2016. - М.: Изд. - во стандартов, 2015. - 72 с.

233 ТАБЛИЦЫ

Табл. 1.1 Цена за один килограмм керамических крученых нитей

производства 3M Company................................................. 15

Табл. 1.2 Свойства кварцевых и кремнеземных нитей.......................... 18

Табл. 1.3 Объем выпуска кварцевых и кремнеземных материалов

АО «НПО Стеклопластик» в 2015 - 2019 гг........................... 18

Табл. 1.4 Производитель, марка и е свойства керамических

элементарных нитей зарубежного производства...................... 24

Табл. 1.5 Свойства керамических комплексных нитей 3M™ Nextel™

3M Company................................................................... 25

Табл. 1.6 Свойства керамических крученых нитей 3M™ Nextel™

3M Company.................................................................. 25

Табл. 1.7 Химический состав и свойства керамических нитей

разработанных, в АО «НПО Стеклопластик»........................... 27

Табл. 1.8 Химический состав и физико-механические свойства керамических нитей разработанных,

в АО «НПО Стеклопластик» в 1987-1992 гг.......................... 27

Табл. 1.9 Химический состав и свойства керамических нитей,

разрабатываемых в ФГУП «ВИАМ».................................... 29

Табл. 2.1 Наименование и причина возникновения дефектов.................. 42

Табл. 2.2 Средние значения параметров структуры поверхности

элементарных нитей......................................................... 44

Табл. 2. 3 Среднее число пиков и отношение высоты пиков к

расстоянию между соседними пиками шероховатостей............ 44

Табл. 3.1 ^эффициент тpения движения и стабильность коэффициента трения движения пары «керамическая нить - сталь» нитей 3МТМ NeхtelТМ 3M Company............................................... 53

Табл. 3.2 Радиус и вес образцов шероховатости цилиндрических

выпуклых....................................................................... 57

Табл. 3.3 Давление в зоне контакта..................................................... 58

Табл. 3.4 Коэффициент трения покоя пары «комплексная нить - сталь»... 58 Табл. 3.5 Стабильность коэффициента трения покоя пары «комплексная

нить - сталь».................................................................. 59

Табл. 3.6 Коэффициент трения покоя пары «крученая нить - сталь»......... 60

Табл. 3.7 Стабильность коэффициента трения покоя пары «крученая

нить- сталь»................................................................... 60

Табл. 3.8 Характеристики внешнего трения пар «нить - сталь»

комплексных и крученых нитей со стальными образцами

шероховатости................................................................. 61

Табл. 3.9 Стабильность коэффициента трения покоя пары «комплексная

нить - комплексная нить» под нагрузкой.......... 62

Табл. 3.10 Коэффициент трения покоя пары «комплексная нить -

комплексная нить» под нагрузкой......................................... 63

Табл. 3.11 Коэффициент трения покоя пары «крученая нить -

крученая нить» под нагрузкой.............. .. 63

Табл. 3.12 Стабильность коэффициента трения пары «крученая нить -

крученая нить» под нагрузкой.............. .. 64

Табл. 3.13 Коэффициент трения покоя пар «нить - нить» под нагрузкой..... 67

Табл. 3.14 Стабильности коэффициента трения покоя пар «нить - нить»

под нагрузкой ...................... 67

Табл. 3.15 Коэффициенты уравнения регрессии, коэффициент

детерминации, относительная средняя квадратическая

ошибка........................ . 68

Табл. 3.16 Коэффициент трения движения и стабильность

коэффициента трения движения крученой нити, скользящей по стальному цилиндрическому телу трения........................... 70

Табл. 3.17 Коэффициент трения покоя и стабильность коэффициента трения покоя комплексных нитей и образцов с

субмикрошероховатыми поверхностями................................. 77

Табл. 3.18 Коэффициент трения покоя и стабильность коэффициента

трения покоя пар «пластина стеклянная - стекло предметное».... 76 Табл. 4.1 Изменение параметров крученой нити в процессе

формирования................................................................. 90

Табл. 4.2 Координаты геометрического центра стренг.......................... 93

Табл. 4.3 Величина перемещения вершины треугольника кручения......... 97

Табл. 4.4 Погрешность измерения натяжения зависящая от изменения

поперечного размера нити.................................................. 102

Табл. 4.5 Максимальная величина составляющих систематической

погрешности измерения натяжения нити.............................. 102

Табл. 4.6 Натяжение нити при сматывании с входных бобин массой

0,075 г и 0,15 кг............................................................... 104

Табл. 4.7 Расчетные и фактические значения натяжения нити................. 107

Табл. 5.1 Производитель, марка шнура наполненного, марка, линейная плотность, разрывная нагрузка керамических крученых

нитей оплетки шнуров зарубежного производства................... 111

Табл. 5.2 Результаты измерения диаметра элементарных нитей............... 113

Табл. 5.3 Результаты вычисления моментов второго, третьего,

четвертого порядков, статистических критериев ^Ь^ и Ь2......... 114

Табл. 5.4 Разрывная нагрузка, диметр, прочность элементарных

нитей зарубежного и отечественного производства.................. 116

Табл. 5.5 Коэффициенты регрессии Ау и Ву для элементарных нитей...... 117

Табл. 5.6 Результаты измерения поперечного размера комплексных

нитей........................................................................... 119

Табл. 5.7 Линейная плотность комплексных нитей................................ 119

Табл. 5.8 Зажимная длина образцов и удельная разрывная нагрузка

комплексных нитей................... 121

Табл. 5.9 Зажимная длина образцов и удлинение комплексных нитей....... 122

Табл. 5.10 Коэффициенты регрессии Ау и Ву для комплексных нитей........ 122

Табл. 5.11 Скорость перемещения зажима разрывной машины и

удельная разрывная нагрузка комплексных нитей....................... 124

Табл. 5.12 Результаты экспериментов по оптимизации крутки............... 129

Табл. 5.13 Расчетная разрывная нагрузка и удельная разрывная

нагрузка одиночных крученых нитей................................... 130

Табл. 5.14 Расчетная разрывная нагрузка и удельная разрывная

нагрузка однокруточных и многокруточных нитей................. 130

Табл. 5.15 Параметры заправки универсального стенда для выработки

одиночных крученых нитей экспериментальной партии............ 132

Табл. 5.16 План кручения для выработки одиночных крученых нитей

экспериментальной партии................................................ 132

Табл. 5.17 Параметры неровноты и характеристики пороков

одиночных крученых нитей............................................... 135

Табл. 5.18 Скорость перемещения зажима разрывной машины,

количество испытаний, разрывная нагрузка одиночных

крученых нитей.................................................................. 137

Табл. 5.19 Результаты испытаний одиночных крученых нитей

экспериментальной партии................................................ 138

Табл. 5.20 Характеристика сырья, материалов и полуфабрикатов.............. 139

Табл. 5.21 Параметры заправки универсального стенда для

выработки крученых нитей экспериментальной партии............ 139

Табл. 5.22 План кручения для выработки крученых нитей

экспериментальной партии................................................ 139

Табл. 5.23 Результаты испытаний однокруточной нити экспериментальной

партии........................................................................................... 142

Табл. 5.24 Результаты испытаний крученых нитей экспериментальной

партии.......................................................................... 142

Табл. 5.25 Результаты испытаний крученых нитей опытной партии........... 144

Табл. 5.26 Марка крученой нити, число сложений и коэффициент

вариации по разрывной нагрузке......................................... 145

Табл. 5.27 Расчетная и фактическая разрывная нагрузка кручёных нитей, выработанных по способу совместной подачи

в зону формирования....................................................... 146

Табл. 5.28 Расчетная и фактическая разрывная нагрузка крученых нитей, выработанных по способу по способу отдельной

подачи в зону формирования............................................. 146

Табл. 6.1 Число зерен и отношение фактической площади к

номинальной площади...................................................... 154

Табл. 6.2 Марка, химический состав, коэффициент теплопроводности

керамических волокон...................................................... 157

Табл. 6.3 Коэффициент теплопроводности керамических волокон

при температуре 1073оК и давлении 9,66 кПа в зоне контакта ... 158 Табл. 6.4 Наименования, сроки, этапы выполнения проектов,

уровень готовности технологии производства зарубежных высокотемпературных шнуров наполненных из керамических

крученых нитей.............................................................. 163

Табл. 6.5 Наименования, сроки, этапы выполнения проектов,

уровень готовности технологии производства отечественных высокотемпературных шнуров наполненных из керамических

крученых нитей................................................................................. 166

Табл. 6.6 Свойства высокотемпературного кольцевого волокнистого

уплотнения ФГУП «ВИАМ»............................................... 172

Табл. 6.7 Коэффициент массового отношения шнуров с наполнителем

из керамических волокон................................................... 177

Табл. 6.8 Исходные данные для расчета и расчетная величина

числа нитей в потоке........................................................ 181

Табл. 6.9 Исходные данные для расчета и расчетная разрывная

нагрузка нитей оплетки.................. 181

Табл. 6.10 Параметры образца №1 до обжатия и после обжатия............... 183

Табл. 6.11 Параметры образца №2 до обжатия и после обжатия................ 183

Табл. 6.12 Результаты исследования образца №1 методами тСТ.............. 184

Табл. 6.13 Результаты исследования образца №2 методами тСТ............. 186

Табл. 6.14 Параметры и свойства шнура ШОАН (К)- 2,5........................ 189

Табл. 6.15 Удельное натяжения нитей при намотке на оправку, плотность

и общая пористость сердцевины кольцевого уплотнения.......... 195

Табл. 6.16 Удельное натяжение нитей обмотки, плотность и общая

пористость кольцевого уплотнения, плотность сердцевины

перед обмоткой 523 кг/м3................................................ 196

Табл. 6.17 Удельное натяжение нитей обмотки, плотность и общая

пористость кольцевого уплотнения, плотность сердцевины

перед обмоткой 988 кг/м3................................................. 196

Табл. 6.18 Удельное натяжение нитей при намотке, плотность и общая

пористость кольцевого волокнистого уплотнения.................... 197

Табл. 6.19 Результаты исследования кольцевого уплотнения

методами тСТ............................................................... 203

Табл. 6.20 Результаты испытаний высокотемпературного кольцевого

волокнистого уплотнения на герметичность........................... 205

ИЛЛЮСТРАЦИИ

Рис. 1.1 Температура длительной эксплуатации материалов для

высокотемпературной теплоизоляции и уплотнений.................. 13

Рис. 1.2 Номенклатура текстильных керамических материалов

производства 3M Company................................................... 15

Рис. 1.3 Сравнение затрат на получение комплексных нитей

различной линейной плотности............................................. 17

Рис. 1.4 Объем реализации продукции, выполненных работ и услуг

АО «НПО Стеклопластик» в 2011-2019 гг............................... 18

Рис. 1.5 Объем реализации продукции по гособоронзаказу

АО «НПО Стеклопластик» в 2011-2019 гг................................ 19

Рис. 1.6 Объем производства кремнеземных шнуров наполненных

в АО «НПО Стеклопластик» за 2015 - 2019 гг........................... 20

Рис. 1.7 Диаграмма состояния системы Al2O3 - SiO2.............................. 23

Рис. 1.8 Схема получения керамических комплексных нитей................... 24

Рис. 1.9 Фильерная головка и сушильный контейнер установки

для получения керамических нитей........................................ 24

Рис. 1.10 Потеря прочности керамических нитей 3МТМ NextelTM 312 и

3МТМ NextelTM 550 при нагреве............................................... 27

Рис. 1.11 Фильерная головка установки получения комплексных нитей в

лаборатории ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ.................................... 29

Рис. 2.1 Варианты распространения трещины при хрупком

разрушении элементарных нитей........................................... 34

Рис. 2.2 Поверхность разрушения, перпендикулярная к оси элементарной нити (а) и поверхность разрушения под углом 45° к оси

элементарной нити (б)......................................................... 35

Рис. 2.3 Дефекты структуры элементарной нити и линии

Людерса-Чернова............................................................... 35

Рис. 2.4 Сердцевина элементарной нити через 1 час (а) и через

6 часов (б) после начала пропитывания иммерсионным маслом..... 36

Рис. 2.5 Оболочка и сердцевина отечественных элементарных нитей......... 37

Рис. 2.6 Оболочка и сердцевина элементарных нитей

№х1е1ТМ 312 (а) и КеХе1ш 720 (б).......................................... 38

Рис. 2.7 Физическая модель элементарной нити.................................... 39

Рис. 2.8 Контакты между оболочкой и сердцевиной элементарной

нити................................................................................ 40

Рис. 2.9 Слоистая структура сердцевины элементарной нити................... 41

Рис. 2.10 Поверхность разрушения сердцевины элементарной нити............ 41

Рис. 2.11 Дефекты сердцевины и оболочки элементарных нитей...... 42

Рис. 2.12 Высота пиков 2 и расстояние между соседними пиками х............ 44

Рис. 2.13 Профиль шероховатой поверхности, гистограмма

распределения высоты элементов профиля Z(t) и опорная

кривая профиля шероховатости............................................. 46

Рис. 2.14 Топографическая характеристика поверхности,

гистограмма распределения высоты элементов профиля Z(t) и опорная кривая распределения высоты элементов

профиля на поверхности...................................................... 46

Рис. 3.1 Прибор для определения коэффициента трения движения

по методу рт-оп-Шзк........................................................... 53

Рис. 3.2 Современный прибор для определения коэффициента трения покоя

методом наклонной плоскости............ .. 53

Рис. 3.3 Зависимость коэффициента трения покоя пары «комплексная нить - сталь» от значения параметра шероховатости Rа

стальных образцов.............................................................. 60

Рис. 3.4 Зависимость коэффициента трения покоя пары «крученая нить - сталь» от значения параметра шероховатости Rа

стальных образцов.............................................................. 61

Рис. 3.5 Зависимость коэффициента трения покоя пары

«комплексная нить - комплексная нить» от нагрузки (серия №1). 65 Рис. 3.6 Зависимость коэффициента трения покоя пары

«комплексная нить - комплексная нить» от нагрузки (серия №2). 66 Рис. 3.7 Зависимость коэффициента трения покоя пары

«крученая нить - крученая нить» от нагрузки (серия №1)............ 66

Рис. 3.8 Зависимость коэффициента трения покоя пары

«крученая нить - крученая нить» от нагрузки (серия №2)............ 67

Рис. 3.9 Схема заправки нити на стенде для определения

коэффициента трения движения.............................................. 70

Рис. 3.10 Зависимость коэффициента трения движения от скорости

скольжения нити по цилиндрическому телу трения.................... 71

Рис. 3.11 СЗМ - изображение участка поверхности керамической

элементарной нити............................................................ 72

Рис. 3.12 Условное обозначение осей стекла предметного........................ 77

Рис. 4.1 Универсальный стенд в варианте кручения одиночных

нитей (а), в варианте кручения однокруточных и многокруточной

нити в два сложения (б, в).................................................... 81

Рис. 4.2 Фотография универсального стенда и крутильной платформы

№1 с входной бобиной........................................................ 82

Рис. 4.3 Бобинодержатель с устройством натяжения нити (а)

и схема сматывания нити с входной бобины (б)......................... 83

Рис. 4.4 Схема кручения по способу отдельной подачи нитей (а),

узел формирования и порог крутки (б).................................... 85

Рис. 4.5 Схема силового взаимодействия двух стренг на пороге крутки...... 86

Рис. 4.6 Схема силового взаимодействия двух стренг за порогом крутки.. 87 Рис. 4.7 Схематическое изображение взаимодействия стренг узлом

формирования....................... 87

Рис. 4.8 Число оборотов крутильной платформы, необходимых

для завершения формирования однокруточных нитей с круткой

45 кручений/м (а) и 127 кручений/м (б).................................... 88

Рис. 4.9 Изменение диаметра однокруточной нити в два сложения

в процессе формирования..................................................... 90

Рис. 4.10 Изменение углов наклона стренг к оси однокруточной нити

в два сложения в процессе формирования................................ 90

Рис. 4.11 Условное изображение поперечного сечения однокруточной нити в два сложения без учета смятия стренг (а) и с учетом

смятия стренг (б)................................................................. 91

Рис. 4.12 К определению геометрического центра кругового сектора.......... 92

Рис. 4.13 Изменение плотности однокруточной углеродно-кварцевой нити в два сложения линейной плотностью 400 текс в процессе

формирования................................................................... 93

Рис. 4.14 Схематическое изображение крученой нити оптимальной

структуры........................................................................ 94

Рис. 4.15 Схематическое изображение порока штопорная крутка............... 95

Рис. 4.16 Точечный контакт двух стренг углеродно-кварцевой нити

при штопорной крутке......................................................... 95

Рис. 4.17 Схематическое изображение образования штопорной

крутки вследствие неровноты натяжения стренг........................ 96

Рис. 4.18 Зависимость величины перемещения вершины треугольника

кручения от неровноты натяжения стренг.............................. 97

Рис. 4.19 Схема действия сил, приложенных к воспринимающему

нитепроводнику тестера натяжения........................................ 99

Рис. 4.20 Схема измерения натяжения нити при сматывании

с входной бобины.............................................................. 103

Рис. 4.21 Осциллограмма выходного напряжения тестера натяжения,

скорость нити 7,8 м/мин...................................................... 103

Рис. 4.22 Силы и моменты, действующие на входную бобину

при сматывании нити............................................................ 106

Рис. 5.1 Гистограмма распределения элементарных нитей по

диаметру в керамических комплексных нитях............................ 113

Рис. 5.2 Зависимость прочности от диаметра зарубежных (а) и

отечественных (б) элементарных нитей в логарифмических

координатах...................................................................... 117

Рис. 5.3 Процесс измерения поперечного размера комплексной нити

марки ОА-12-25................................................................. 118

Рис. 5.4 Зависимость удельной разрывной нагрузки от зажимной

длины образцов зарубежных и отечественных комплексных нитей

в логарифмических координатах............................................ 123

Рис. 5.5 Зависимость удельной разрывной нагрузки от удельного

натяжения при кручении одиночных нитей............................... 126

Рис. 5.6 Зависимость удельной разрывной нагрузки от величины крутки.. 127 Рис. 5.7 Диаграмма масс одиночных нитей с круткой 20, 40, 60, 80

кручений/м....................................................................... 130

Рис. 5.8 Неравномерность поперечника первичной нити после схода

с барабана узла вытяжки экспериментальной установки.............. 132

Рис. 6.1 Конструкция сальниковой камеры........................................... 149

Рис. 6.2 Сечения исходного СЗМ - изображения с расстояниями

от базовой плоскости 7=18 нм (а); 16 нм (б); 14 нм (в); 12 нм (г);

10 нм (д); 8 нм (е)............................................................... 153

Рис. 6.3 Зависимость контактного термического сопротивления

от сближения и давления в контакте....................................... 156

Рис. 6.4 Структура шнура наполненного с однонаправленным

наполнителем.................................................................... 160

Рис. 6.5 Шнуры с наполнителем из кремнеземных (а) и циркониевых

волокон (б)........................................................................ 161

Рис. 6.6 Шнур ВС1, изогнутый вокруг цилиндра диаметром 0,5 дюйма (а) и шнур АС1, изогнутый вокруг цилиндра диаметром

16,4 дюйма (б)................................................................... 165

Рис. 6.7 Варианты резки шнура наполненного перед монтажом в сальниковой камере по оси оправки (а) и под углом к оси

оправки (б)....................................................................... 167

Рис. 6.8 Плетеное кольцевое уплотнение из керамических нитей............... 168

Рис. 6.9 Схема установки плетеных кольцевых уплотнений.................. 169

Рис. 6.10 Схематическое изображение сечения высокотемпературного

кольцевого волокнистого уплотнения из керамических нитей....... 169

Рис. 6.11 Высокотемпературное кольцевое волокнистое уплотнение,

разработанное Pyro Shield................................................... 170

Рис. 6.12 Высокотемпературное кольцевое волокнистое уплотнение,

разработанное TENGLONG SEALING & PACKING, YUYAO....... 171

Рис. 6.13 Форма в разобранном виде с кольцевым волокнистым

уплотнением (а) и кольцевое волокнистое уплотнение (б)........... 172

Рис. 6.14 Зависимость коэффициента теплопроводности

высокотемпературного кольцевого волокнистого уплотнения

от температуры................................................................... 173

Рис. 6.15 Зависимость плотности от диаметра шнура наполненного............ 174

Рис. 6.16 Зависимость коэффициента покрытия от диаметра шнура

наполненного.................................................................... 175

Рис. 6.17 Зависимость коэффициента массового отношения

от диаметра шнура наполненного............................................ 176

Рис. 6.18 Зависимость коэффициента массового отношения от материала

наполнителя и диаметра шнуров наполненных.......................... 176

Рис. 6.19 Схема нагружения уплотнения из шнура наполненного в

процессе испытаний и эксплуатации....................................... 179

Рис. 6.20 Образец №1 с обжатием по оплетке (а) и образец №2

с обжатием по наполнителю (б)............................................. 182

Рис. 6.21 Изображение сечения образца №1 до обжатия (а) и после

обжатия (б) термоусадочной трубкой..................................... 185

Рис. 6.22 Гистограмма распределения пор по толщине в исследованном объеме образца №1 до обжатия (а) и после обжатия (б)

термоусадочной трубкой...................................................... 185

Рис. 6.23 Изображение сечения образца №2 до обжатия (а) и после

обжатия (б) термоусадочной трубкой...................................... 186

Рис. 6.24 Гистограмма распределение пор по толщине в исследованном объеме образца №2 до обжатия (а) и после обжатия (б)

термоусадочной трубкой..................................................... 187

Рис. 6.25 Плетельные веретена ВПЛ-2 (а), ВПР-125 (б) и

доработанное плетельное веретено ВПР-125 (в)......................... 188

Рис. 6.26 Веретена ВПР-125 после доработки, установленные на

плетельную машину ШП 16-3................................................ 189

Рис. 6.27 Фотография шнура ШОАН(К) - 2,5 из керамических

крученых нитей.................................................................. 190

Рис. 6.28 Шнур ШОАН(К) - 2,5, изогнутый на цилиндре

диаметром 40 мм................................................................ 191

Рис. 6.29 Шнур наполненный с поврежденными нитями оплетки из

стеклянных нитей............................................................... 191

Рис. 6.30 Конструкция высокотемпературного волокнистого уплотнения

с круглым (а) и квадратным поперечным сечением (б)................ 193

Рис. 6.31 Изменения формы поперечного сечения уплотнения с круглым (а) и сохранения формы уплотнения с прямоугольным поперечным

сечением (б)..................................................................... 194

Рис. 6.32 Схематическое изображение обмоточного станка..................... 199

Рис. 6.33 Схематическое изображение узла обмотки сердцевины

обмоточного станка.............................................................. 199

Рис. 6.34 Обмотка сердцевины кольцевого уплотнения лентой................. 200

Рис. 6.35 Высокотемпературное кольцевое волокнистое уплотнение

с обмоткой сердцевины лентой (а) и нитью (б)........................... 200

Рис. 6.36 Процесс контроля внутреннего диаметра 040Н кольцевого уплотнения калибром - пробкой, проходной стороной (а)

и непроходной стороной (б)................................................. 201

Рис. 6.37 Изображение сечения высокотемпературного кольцевого

волокнистого уплотнения..................................................... 202

Рис. 6.38 Гистограмма распределения пор по толщине

в исследованном объеме кольцевого уплотнения....................... 203

Рис. 6.39 Многофункциональный стенд «СИП-03» для испытаний

уплотнений на герметичность................................................ 204