Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка керамических элементов Zrm(O-B-C)n конструкций тепловой защиты и технологии их получения для эффективной тепловой защиты аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем

Докладчик: Буякова Светлана Петровна

Должность: старший научный сотрудник, главный научный сотрудник

Цель проекта:
Разработка научных принципов организации многоуровневой тепловой защиты из пористых керамических композитов, сохраняющих эксплуатационные характеристики до 3000 К, для аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем и технологических решений их получения. Создание математической модели прогнозирования эксплуатационных теплофизических и термомеханических свойств высокотемпературных композиционных материалов, учитывающей их структурную иерархию на микро- и наномасштабных уровнях в широком диапазоне изменения термодинамических параметров состояния, сред, условий нагревания и охлаждения.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Промежуточные и заключительный отчёты, содержащие:
а) анализ научно- технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;
б) выбор и обоснование направления исследований;
в) результаты теоретических исследований;
г) результаты данных экспериментальных исследований;
д) обобщение и выводы по результатам исследований.
2. Отчёт о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3. Требования к физическим и технологическим свойствам дисперсных систем - исходных компонентов теплозащитных пористых и градиентных керамических материалов.
4. Лабораторный технологический регламент высокоэнергетической механохимической обработки дисперсных систем, обеспечивающий достижение требуемых структурных характеристик, физических и технологических свойств.
5. Лабораторный технологический регламент получения пористых и градиентных керамических композиционных элементов системы Zrm(O-B-C)n теплозащитных конструкций РКТ методом прямого формования и последующего высокотемпературного спекания в защитной атмосфере.
6. Лабораторный технологический регламент получения пористых и градиентных керамических композиционных элементов системы Zrm(O-B-C)n теплозащитных конструкций РКТ методом инжекционного формования.
7. Лабораторный регламент формирования термостойких теплозащитных покрытий на пористых и градиентных керамических композиционных материалах системы Zrm(O-B-C)n.
8. Методика испытаний теплозащитных материалов в условиях теплового конвективного, лучистого и конвективно-лучистого воздействия, реализуемых на до- и сверхзвуковых высокотемпературных газодинамических стендах.
9. Математическая модель для прогноза теплофизических и термомеханических свойств высокопористых и градиентных керамических композиционных материалов и покрытий.
10. Прототип системы компьютерного моделирования теплофизических и термомеханических свойств высокотемпературных композиционных материалов и покрытий.
11. Программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов и элементов конструкций РКТ.
12. Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учётом технологических возможностей и особенностей индустриального партнёра – организации реального сектора экономки.
13. Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии промышленного выпуска теплозащитных элементов композиционных керамических теплозащитных элементов ракетно- космической техники».
14. Экспериментальные образцы пористых и градиентных термостойких керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n с термостойкими теплозащитными покрытиями.
15. Экспериментальные образцы элементов теплозащитной конструкции РКТ из пористых и градиентных термостойких керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n с термостойкими теплозащитными покрытиями.
16. Патент РФ «Формирование наноструктурного квазиаморфного состояния в высокомодульной дисперсной системе».
17. Патент РФ «Получение теплозащитных пористых и градиентных керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n».
18. Патент РФ «Формирования термостойких теплозащитных покрытий на пористых и градиентных керамических композиционных материалах».
19. НОУ-ХАУ «Элемент теплозащитной конструкции РКТ из пористых и градиентных термостойких керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n с термостойкими теплозащитными покрытиями».

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Новизна планируемых к получению в рамках предлагаемых ПНИ результатов открывает перспективы по созданию экономически эффективной продукции, конкурентоспособной как на отечественном, так и на международном рынках. Планируемые к разработке пористые и градиентные термостойкие керамические композиционные материалы системы Zrm(O-B-C)n с термостойким HfC покрытием предназначены для использования в элементах тепловой защиты аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем. Главными преимуществами композитов станут низкая теплопроводность (  0,5 Вт/мК), эффективная релаксация концентраторов термоупругих напряжений, устойчивость к термическим воздействиям вплоть до температуры 3000 К. Использование градиентных керамических композитов Zrm(O-B-C)n – HfC в энергетических системах РКТ обеспечит значительное повышение их энергоэффективности. Предварительные расчёты показали, что использование композитов Zrm(O-B-C)n – HfC в камере сгорания позволит увеличить температуру сгорания топлива не менее, чем на 20 %.
Разработанные при выполнении исследований технологические подходы и инженерные решения получения пористых и градиентных термостойких керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n с термостойкими покрытием могут быть унифицированы в различных областях техники и ориентированы на использование отечественной сырьевой базы, что явится весомой альтернативой импортируемым керамическим наукоёмким изделиям фирм экспортёров CeramTec (США), Morgan (England), Swerea IVF (Sweden).
Создание по результатам проекта наукоемкой продукции и интеллектуальной собственности (патентов) обеспечит в дальнейшем перспективу коммерциализации, включая оформление лицензионных соглашений с потенциальными заказчиками на технологии производства керамических композиционных материалов и изделий из них. Коммерциализация в экономическом секторе результатов работы в объёмах, возможных в условиях комплекса предприятий ракетно-космического комплекса, двигателестроения, машиностроения, энергетики и др. областях индустрии, обеспечит социально-экономический эффект, исчисляемый в миллионах рублей при широком внедрении результатов, как на внутреннем рынке, так и на внешнем рынках, при заключении договоров и контрактов.
Учитывая сложившиеся к настоящему времени благоприятные технологические и научные предпосылки, в целях освоения сегментов отечественного и зарубежного рынков уникальных теплозащитных керамических композиционных материалов и конструкций из них, результаты настоящего проекта могут быть коммерциализованы начиная с 2017 г. и налажен, выпуск:
- деталей горячего тракта энергетических установок и транспортных систем
(сегменты внутренних стенок камер сгорания, створки, стабилизаторы, рассекатели) не менее 1500 деталей/год на сумму не менее 150 млн. руб./год;
- технологической и вспомогательной оснастки в металлургии (короба, футеровка, фурмы и т.п.) не менее 15000 деталей/год на сумму не менее 22 млн. руб./год.
Начиная с 2020 г. общая сумма объема реализации товарной продукции, созданной с использованием разработанных в проекте технологий и конструктивных решений, в стоимостном выражении должна составлять не менее 300 млн. руб. в год.
Оценочный объём отечественного рынка изделий из теплоизоляционных керамических композиционных материалов высокотемпературного назначения практически не освоен отечественным производителем и составит в 2017 - 2020 гг. до 100 тысяч единиц изделий или около 450 млн. руб./год.
Результаты реализации проекта позволят в итоге обеспечить создание перспективной техники в различных областях индустрии с повышенными эксплуатационными характеристиками. Эффективность внедрения предлагаемых технологических решений во многом определяет возможность создания и надежность эксплуатации теплозащитных конструкций с заданным ресурсом, в особенности горячего тракта энергетических систем, в том числе обеспечивая получение прямого и косвенного экономического эффектов. При этом стоимость газодинамической системы в целом оценивается не менее 60 млн. руб. Ориентировочный рынок только энергетических установок на основе газодинамических и комбинированных систем (мощностью более 100 МВт) в мире составляет более 100 ед./год, из них порядка 25 приходится на долю России.

Текущие результаты проекта:
Отчёт о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
Лабораторный регламент синтеза дисперсных систем – исходных компонентов теплозащитных пористых градиентных керамических материалов.
Акт получения дисперсных систем.
Лабораторный регламент механохимической обработки дисперсных систем исходных компонентов теплозащитных пористых градиентных керамических материалов.
Акт проведения механохимической обработки дисперсных систем.
Программа и методика лабораторных исследований структурно-фазового состояния дисперсных систем – исходных компонентов теплозащитных пористых градиентных керамических материалов.
Акт и протокол проведения лабораторных исследований структурно-фазового состояния дисперсных систем