Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения композиционных керамических материалов на основе нитрида кремния с использованием метода послойного моделирования и последующего реакционного спекания для изготовления элементов конструкции двигателей космических аппаратов

Номер контракта: 14.577.21.0171

Руководитель: Рабинский Лев Наумович

Должность: декан

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
керамика, композиционные материалы, послойное струйное моделирование, прототипирование, керамическая технология, нитрид кремния, реакционное спекание, моделирование

Цель проекта:
Разработка технологии изготовления оптимально армированных термонагруженных элементов конструкций космических аппаратов из композиционной керамики на основе нитрида кремния с использованием методов послойного струйного моделирования и реакционного спекания, обеспечивающей повышение механических характеристик элементов конструкции (в том числе повышение стойкости к многоцикловым нагрузкам) и сокращение сроков и затрат на их изготовление.

Основные планируемые результаты проекта:
Метод послойного моделирования образцов керамики на основе нитрида кремния
Методика подготовки порошка кремния и армирующих дисперсных и волокнистых включений с использованием плакирующих материалов, водных и неводных биндеров для проведения послойного моделирования.
Методика реакционного спекания образцов композиционной керамики, полученных методом послойного моделирования.
Методика неразрушающего контроля синтезированных образцов композиционной керамики.
Методика разрушающего контроля синтезированных образцов композиционной керамики.
Методика расчета остаточного напряженно-деформированного состояния и эффективных свойств композиционной керамики на основе нитрида кремния, изготовленной с использованием методов послойного струйного моделирования и реакционного спекания.
Экспериментальная установка для послойного моделирования образцов композиционной керамики на основе нитрида кремния.
Технология получения образцов керамических композиционных материалов на основе нитрида кремния с использованием методов послойного струйного моделирования и реакционного спекания.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Технология получения композиционной керамики на основе нитрида кремния предназначена для изготовления термонагруженных деталей сложной формы жидкостно-ракетных двигателей и электроракетных двигателей, в том числе ионно-плазменных и стационарно-плазменных.
Разрабатываемая технология получения композиционной керамики на основе нитрида кремния должна состоять из последовательно применяемых технологических процессов послойного моделирования и реакционного спекания.
Послойное моделирование образцов керамики должно производиться в автоматическом режиме на основании предварительно созданных виртуальных моделей изделия с использованием CAD/CAM технологий.

Наиболее распространенной технологией послойного синтеза керамических материалов является лазерное спекание порошков (Selective Laser Sintering). В силу того, что температура спекания большинства конструкционных керамик является очень высокой, то спекание происходит при использовании лазера очень больших мощностей, что неизбежно приводит к снижению точности построения заготовок. Некоторые керамики (в частности, нитрид кремния) имеют температуры диссоциацию ниже, чем температура плавления и поэтому вообще не могут спекаться с использованием лазера. Данные недостатки технологии преодолевается несколькими путями. В первом случае осуществляется спекание смеси металлических и керамических порошков и спекание происходит по металлической фазе, имеющей более низкую температуру плавления. В результате изделие получается из металлокерамического материала, эксплуатационные свойства которого заведомо ниже чистых керамических материалов. Второй путь основан на получении керамической заготовки методом спекания лазерным лучом частиц керамики, плакированных клеящим составом, и дальнейшее спекание заготовки в высокотемпературных печах. Недостатком этого метода изготовления керамических изделий является сложность качественного плакирования исходных порошков, и невозможность использования мелкодисперсных порошков. Третий - технология cтереолитографии (Stereo Lithography Apparatus), в которой применяется метод отверждения ультрафиолетовым лазером суспензии керамического порошка в сенсибилизированных эпоксидных смолах. Недостатком этого метода является повышенная пористость получаемых изделий и, отсюда, пониженные механические свойства и пониженная окислительная стойкость, а также невозможность внедрения армирующей фазы.
В настоящее время, за рубежом (Университет Аахена, Германия) разрабатывается технология получения керамических изделий методом прямого впрыска водных суспензий частиц нитрида кремния. Получаемые заготовки спекают при температуре 1780 С с помощью спекающих добавок оксида иттрия. Эта технология является дорогой и не позволяет получать чистый нитрид кремния, что ограничивает эти изделия по оптимальным механическим свойствам и снижает окислительную стойкость изделий. Также с применением этого метода нельзя изготавливать крупногабаритные изделия (из-за необходимости достижения очень высоких температур спекания и проблем с растрескиванием).
Кроме лазерного синтезирования и прямого струйного синтеза, возможно применение совокупности технологий послойного струйного синтеза (Ink Jet Modelling) керамических изделий с последующим спеканием заготовок в высокотемпературных печах. Этот метод выбран за основу разрабатываемой технологии получения композиционного материала на основе нитрида кремния, который не может быть синтезирован с использованием лазера (так как будет происходить испарение порошка).
Технология струйного моделирования позволит подготавливать детали сложной формы из порошка кремния, армированного ориентированными неорганическими волокнами и дисперсными включениями, для проведения дальнейшей процедуры реакционного спекания нитрида кремния. Таким образом, предлагаемая технология, сочетающая струйное моделирование и реакционное спекание нитрида кремния, позволит получить детали сложной формы с нулевыми трудозатратами при проектировании оснастки, с различными схемами армирования, с сохранением высоких свойств, присущих изделиям с матрицей из нитрида кремния. В настоящее время, керамика на основе нитрида кремния применяется в конструкциях перспективных космических двигателей, она обладает прочностью на изгиб до 300 МПа при температурах до 1500 С (кратковременно 1800 С), плотность 3000 кг/м3, модуль упругости до 280 ГПа, твердость 16 ГПа, КЛТР до 3е-6 (повышенная термостабильность), теплопроводность 12 Вт/м*K, пробивное напряжение выше 12 КВ/мм. Применение армирования позволит добавить к этим свойствам повышенную ударную вязкость и повышенные предельные деформации, а также стойкость к многоцикловым нагрузкам (за счет торможения роста трещин на включениях), при изготовлении керамических изделий методом послойного синтеза.
Существующие в России технологии прототипирования из керамики, ограничиваются технологиями выращивания керамики из плакированного песка (методом струйного моделирования), либо закупленными зарубежными технологиями лазерного послойного синтеза керамик.

Дальнейшие разработки, после завершения проекта, будут направлены на создание отечественных специализированных трехмерных принтеров для изготовления крупногабаритных изделий из композитной керамики с повышенной производительностью и со специальным программным обеспечением (CAM), так как предлагаемые исследования будут проводиться на имеющихся зарубежных принтерах для трехмерного послойного моделирования.
Детали и узлы из композитной нитридокремниевой керамики смогут применяются в конструкциях сложной формы, в условиях воздействия повышенных температур. При этом будут увеличена длительность жизненного цикла изделий, за счет повышения термопрочности керамики, окислительной стойкости, трещиностойкости, стойкости к многоцикловым нагрузкам. Предлагаемая технология может быть применена при создании конструкций камер сгорания жидкостно-ракетных двигателей и, особенно, в разрядных камерах ионно- и стационарно-плазменных двигателей.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разрабатываемая технология позволит создавать новые образцы космической техники, обладающие повышенными эксплуатационными характеристиками. При этом будут снижены производственные затраты и сокращено время производства изделий сложной формы. В частности, разрабатываемая технология сможет применяться при создании термонагруженных деталей жидкостно-ракетных двигателей и электроракетных двигателей (в том числе ионно-плазменных и стационарно-плазменных).
Результаты исследований, полученные в рамках предлагаемого проекта, должны быть использованы в дальнейших ОКР и ОТР, направленных на создание отечественных высокопроизводительных установок для получения высококачественных крупногабаритных изделий (элементов конструкций космических аппаратов) из композитной не оксидной керамики. Разработанные технологии и оборудование должны быть запатентованы исполнителем работ и переданы, в дальнейшем, производственным предприятиям. В том числе возможно внедрение полученных результатов в рамках малых производственных предприятий, организованных при участии исполнителя проекта.
Возможными потребителями научного результата является сам исполнитель проекта, который в дальнейшем сможет проводить у себя соответствующие ОКР и ОТР по тематике проекта. Также научным потребителем результата проекта могут стать сторонние организации, занимающиеся трехмерным прототипированием изделий в России и заинтересованные в приобретении и использовании результатов исследований на основе лицензионных соглашений.
Непосредственными заказчиками и потребителями конечной продукции (изделия сложной формы из композитной керамики на основе нитрида кремния) станут предприятия космической отрасли, занимающиеся разработкой перспективных элементов конструкций космической техники с применением керамики в качестве основного конструкционного материала.

Текущие результаты проекта:
Проводится экспериментальная отработка системы подачи порошка кремния при реализации технологии послойного моделирования заготовки изделия.