Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
теплоизоляционные керамики, градиентная структура, пористость, карбид гафния, диборид циркония, карбид циркония, оксид циркония

Цель проекта:
Проект направлен на решение проблемы, заключающейся в увеличении эффективности тепловой защиты энергетических систем ракетно-космической техники. Целью проекта является - обеспечение работоспособности неохлаждаемых тепло-напряжённых элементов конструкций ракетно-космической техники из керамических и углерод-керамических композиционных материалов с помощью организации эффективной многоуровневой защиты их поверхности. Разработка технологии получения теплозащитных пористых градиентных теплозащитных керамических материалов системы Zrm(O-B-C)n с HfC покрытием устойчивым к термическим воздействиям до 3000 К. Реализация проекта обеспечит разработку комплекса базовых технологических решений для создания, нового поколения теплоизоляционных керамических композиционных материалов и термостойких покрытий, работоспособных в агрессивных средах при температурах не менее 3000 К, отличающихся повышенной термостойкостью, высокими удельными термомеханическими характеристиками.

Основные планируемые результаты проекта:
Разработан лабораторный технологический регламент получения пористых градиентных керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n методом прямого формования и последующего высокотемпературного спекания в защитной атмосфере. Разработаны программа и методики исследовательских испытаний по отработке технологических режимов формования теплозащитных пористых градиентных керамических материалов системы Zrm(O-B-C)n. Проведены исследовательские испытания по отработке технологических режимов формования теплозащитных пористых градиентных керамических материалов системы Zrm(O-B-C)n. Получено 24 серии экспериментальных лабораторных образцов теплозащитных пористых градиентных керамических композиционных материалов, отличающихся соотношением компонентов и технологическими режимами получения. Во всех исследованных образцах градиентных керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n формируется качественная бездефектная граница раздела между слоями ZrC и ZrB2. Разработана математическая модель прогноза теплофизических и термомеханических свойств пористых градиентных высокотемпературных композиционных материалов и покрытий. Показано, что влияние неоднородности границ раздела оказывается существенным лишь на начальной стадии процесса нагрева композита.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Ключевыми идеями проекта являются:
- создание пористых градиентных керамических композитов ZrB2 – ZrC – ZrO2 с последовательностью слоёв выстраиваемой по принципу уменьшения теплопроводности от внешнего к внутреннему слою и наименьшей разницы в величине термического расширения между слоями;
- формирование на поверхности пористых градиентных керамических композитах термостойких тугоплавких теплоотражающих покрытий на основе HfC.
Предлагаемая структурно-фазовая иерархия в керамических композитах обеспечит эффективную релаксацию концентраторов термоупругих напряжений и эффективную тепловую защиту аэрокосмических летательных аппаратов и их энергетических систем от термических воздействий вплоть до 3000 К.
Достижение поставленных в рамках проекта целей обеспечит решение следующих задач:
1) выявление структурно-фазовой иерархии в пористых градиентных керамических композитах системы Zrm(O-B-C)n с термостойким покрытием на основе HfC, обеспечивающего эффективную теплоизоляцию (0,5 Вт/мК);
2) организация механизмов релаксации термоупругих напряжений в пористых градиентных керамических композитах на основе системы Zrm(O-B-C)n на нано- и микромасштабных уровнях;
3) выявление структурно-фазового состояния керамических покрытий на основе HfC, обеспечивающих стойкость к окислению до 3000 К
4) организация механизмов самозалечивания случайных эксплуатационных и технологических дефектов в керамических композитах системы Zrm(O-B-C)n и покрытии на основе HfC с полным восстановлением исходных характеристик.
Новизна поставленных в рамках предлагаемого проекта задач состоит в создании теплоизоляционных керамических композитов на основе циркониевых соединений посредством формирования межфазового градиента, основываясь на принципе уменьшения теплопроводности от внешнего к внутреннему слою и малой разнице в величинах термического расширения прилегающих слоёв композита. Керамики на основе ZrB2 и ZrC известны как материалы с высокой устойчивостью к термомеханическим воздействиям. Диоксид циркония обладает аномально низкой теплопроводностью среди тугоплавких соединений. Использование их в качестве барьерных слоёв в композите над ZrO2 обеспечит эффективную устойчивость к термическим воздействиям и аномально низкую теплопроводность композиту. Покрытие на основе тугоплавкого HfC обеспечит устойчивость композита в условиях сверхвысоких температур.
Современное прогнозирование повышения эксплуатационных характеристик керамических композиционных материалов становится возможным посредством создания пористой градиентной структуры. В качестве основных компонентов таких композитов следует рассматривать соединения на основе циркония. Гетерофазные керамики на основе ZrC и ZrB2 характеризуются высокой термомеханической стойкостью. Оксид циркония ZrO2 обладает аномально низкой теплопроводностью среди тугоплавких материалов.
В проекте в качестве базового соединения термостойкого покрытия будет использован карбид гафния, температура плавления которого превышает 4100 оС.
Конструкции из разрабатываемых пористых градиентных керамических композиционных материалов ZrB2 – ZrC – ZrO2 с тугоплавким покрытием на основе HfC перспективны при создании гиперзвуковых летательных аппаратов в части прямоточного воздушно-реактивного двигателя и жаровой трубы, поскольку в силу низкой теплопроводности керамического теплоизоляционного материала исключается необходимость охлаждения двигателя, и повышаются температура горения газа и КПД, что, в свою очередь, позволяет увеличить развиваемую скорость летательного аппарата до гиперзвуковой.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты исследований, полученные в рамках предлагаемого проекта, предназначены в первую очередь для предприятий промышленного комплекса, ориентированных на выпуск наукоёмкой продукции для аэрокосмической отрасли и двигателестроения.
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 , 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).

Текущие результаты проекта:
Разработан лабораторный технологический регламент получения пористых градиентных керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n методом прямого формования и последующего высокотемпературного спекания в защитной атмосфере.
Проведены исследовательские испытания по отработке технологических режимов формования теплозащитных пористых градиентных керамических материалов системы Zrm(O-B-C)n методом прямого формования и последующего высокотемпературного спекания в защитной атмосфере. В работе получено 24 экспериментальных лабораторных образца теплозащитных пористых градиентных керамических композиционных материалов, в которых имеются изменения в составе используемых материалов или изменения в технологическом режиме получения. Во всех исследованных образцах градиентных керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n формируется качественная бездефектная граница раздела между слоями ZrC и ZrB2, что может быть обусловлено близкими значениями коэффициентов линейного теплового расширения (α) карбида циркония (α = 7.01 1/K 10-6) и диборида циркония (α = 6.83 1/K 10-6). Получены лабораторные образцы теплозащитных пористых градиентных термостойких керамических композиционных материалов системы Zrm(O-B-C)n методом прямого формования и последующего высокотемпературного спекания в защитной атмосфере? методом инжекционного формования.
Разработана математическая модель прогноза теплофизических и термомеханических свойств пористых градиентных высокотемпературных композиционных материалов и покрытий. Показано, что влияние неоднородности границ раздела оказывается существенным лишь на начальной стадии процесса нагрева композита; увеличение пористости слоев покрытия приводит к падению температуры в слое и на нижней поверхности, но это всегда связано с увеличением градиента температуры, что может привести к росту термических напряжений.