Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0056

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0056
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
К настоящему времени в развитии ракетно-космической техники сложилась ситуация, обозначившая острую необходимость в разработке материалов и конструкций, способных выполнять теплозащитную функцию в условиях сверхвысоких температур. Безальтернативным в этом случае является использование керамик и керамических композитов, они имеют значительно более высокую температуру плавления в сравнении с другими классами материалов. На мировом рынке производства керамических элементов термонагруженных установок лидируют компании США и Европы. Они активно используют неметаллические тугоплавкие композиты в авиационной технике и двигателестроении.
Анализ эксплуатационных характеристик разработанных к настоящему времени керамических композиционных материалов, предназначенных для теплоизоляции камер сгорания современных ГТД, имеют ряд недостатков: температура их использования не превышает 2000 оС; пористые волокнистые композиты с хорошими теплоизоляционными характеристиками чувствительны к монтажным повреждениям, адсорбции расплавленных частиц пыли и золы топлива. Кроме того, при резких скачках давления в камере сгорания возможно появление напряжений связанных с сжатием-расширением газа, находящегося в порах материала. Решение этих проблем в ближайшей перспективе состоит в создании сложных гибридных, слоистых систем и градиентных керамических композитов, способных проявлять в разных зонах различные свойства, необходимые для конкретного применения.
Описание исследования

Ключевыми решениями, обеспечившими достижение цели ПНИ, стали:

- создание пористых градиентных керамических композитов ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2 с последовательностью слоёв выстраиваемой по принципу уменьшения теплопроводности от внешнего к внутреннему слою и наименьшей разницы в величине ЛКТР;

- формирование на поверхности пористых градиентных керамических композитах термостойких тугоплавких теплоотражающих покрытий на основе HfC.

Предлагаемая структурно-фазовая иерархия в керамических градиентных композитах обеспечивает эффективную релаксацию концентраторов термоупругих напряжений и эффективную тепловую защиту энергетических систем ракетно-космической техники от термических воздействий вплоть до 3000 К.

Новизна предлагаемых подходов к решению задач ПНИ состоит в создании в пористых градиентных керамических композитах системы Zrm(O-B-C)n с покрытием на основе HfC структурно-фазового состояния, обеспечивающего эффективную релаксацию термоупругих напряжений посредством реализации микропластичности на межфазных границах, самозалечивание дефектов посредством миграции границ зёрен.

Основными подходами, обеспечившими решение поставленных задач стали:

1) формирование квазиаморфного состояния в дисперсных системах ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2 посредством высокоэнергетической механохимической обработки;

2) организация в керамических композитах системы Zrm(O-B-C)n когерентных (полукогерентных) межфазных границ, обеспечивающих проявление микропластичности и, как следствие, эффективной релаксации термоупругих напряжений в условиях многократных термических воздействий;

3) формирование структурно-фазового состояния, обеспечивающего миграцию межзёренных границ, как механизм самозалечивания случайных эксплуатационных и технологических дефектов в керамических композитах системы Zrm(O-B-C)n и покрытии на основе HfC.

Основными методами получения градиентных керамических композитов ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2 стали:

1) механохимическая высокоэнергетическая обработка дисперсных систем, обеспечившая формирование требуемых физических свойств исходных дисперсных систем;

2) инжекционное формование, обеспечившее формирование градиентной структуры в керамических композитах ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2;

3) спекание под давлением, обеспечившее консолидацию гетерофазных систем.

Основными методиками анализа структуры и свойств градиентных керамических композитов стали:

1) теплофизические методы, обеспечившие получение данных о коэффициенте теплопроводности, коэффициенте термического расширения, тепловом излучении с поверхности керамических композитов, устойчивости в условиях воздействия высокоэнтальпийного кислородосодержащего потока;

2) электронная микроскопия, обеспечившая получение данных о морфологии частиц дисперсных систем и структуре градиентных керамических композитов;

3) рентгеновская дифракция, обеспечившая получение данных о влиянии технологических параметров синтеза и последующих обработок на фазовый состав, параметры тонкой кристаллической структуры нанокристаллических исходных порошков, данные о влиянии фазового состава порошков их дополнительной обработки, технологических параметров формования порошков и спекания заготовок на фазовый состав и параметры кристаллической структуры полученных керамических композитов;

4) термогравиметрический анализ и дифференциальная сканирующая калориметрия, обеспечившие получение данных о эндотермических и экзотермических эффектах и изменении массы нанокристаллических порошков в процессе консолидации;

5) дилатометрические исследования, обеспечившие получение данных о влиянии состава композитов на величину коэффициента термического линейного расширения.

Результаты исследования

Основными результатами ПНИ стали:

‑ лабораторный технологический регламент высокоэнергетической механохимической обработки дисперсных систем, обеспечивающий достижение требуемых структурных и физических характеристик; технологических свойств.

‑ лабораторный технологический регламент получения пористых и градиентных керамических композиционных элементов системы ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2 теплозащитных конструкций РКТ методом прямого формования и последующего высокотемпературного спекания в защитной атмосфере;

‑ лабораторный регламент формирования термостойких теплозащитных покрытий на пористых и градиентных керамических композиционных материалах системы ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2;

‑ математическая модель для прогноза теплофизических и термомеханических свойств высокопористых и градиентных керамических композиционных материалов и покрытий.

‑ экспериментальные образцы элементов теплозащитной конструкции РКТ из пористых и градиентных термостойких керамических композиционных материалов системы ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2 с термостойкими теплозащитными покрытиями, удовлетворяющие требованиям:

    1) работоспособность лабораторных образцов разработанных материалов и покрытий и лабораторного образца элемента конструкции РКТ, выполненного на их основе, в условиях нестационарного воздействия высокоэнтальпийных сверх- и гиперзвуковых потоков кислородсодержащей плазмы при температурах на конструкционной стенке Tw = 1700 - 1800 оСне менее 400 с, при Тw= 2100 оС не менее 20с;

2) защита острых кромок R ≥ 5 мм;

3) самозалечивание случайных и технологических дефектов покрытия Æ ≤ 0,1 - 0,3 мм при Tw > 1340 – 1360 оС;

4) тепловое излучение от нагретой поверхности et ≈ 0,7 при Tw = 1300 -1700 оС.

Достижение поставленных в рамках проекта целей обеспечило решение следующих научно-практических задач:

  1. выявление структурно-фазовой иерархии в пористых градиентных керамических композитах системы ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2 с термостойким покрытием на основе HfC, обеспечивающего эффективную теплоизоляцию (l < 0,5 Вт/мК);
  2. организация механизмов релаксации термоупругих напряжений в пористых градиентных керамических композитах на основе системы ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2 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 ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2 и покрытии на основе HfC с полным восстановлением исходных характеристик.
Практическая значимость исследования
Новизна полученных в рамках ПНИ результатов открывает перспективы по созданию экономически эффективной продукции, конкурентоспособной как на отечественном, так и на международном рынках. Градиентные термостойкие керамические композиционные материалы системы ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2 с термостойким HfC покрытием предназначены для использования в элементах тепловой защиты энергетических систем ракетно-космического комплекса. Главными преимуществами композитов стали: низкая теплопроводность тыльного слоя (  0,5 Вт/мК), эффективная релаксация концентраторов термоупругих напряжений, устойчивость к термическим воздействиям вплоть до температуры 3000 К. Использование градиентных керамических композитов (ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2) – HfC в энергетических системах РКТ обеспечит значительное повышение их тяговооружённости. Расчёты показали, что использование композитов (ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2) – 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 (ZrB2(SiC) – ZrC – ZrO2) с термостойкими покрытием могут быть унифицированы в различных областях техники и ориентированы на использование отечественной сырьевой базы.
Создание по результатам проекта наукоемкой продукции и интеллектуальной собственности (патентов) обеспечит 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 предприятий ракетно-космического комплекса, двигателестроения, машиностроения, энергетики обеспечит социально-экономический эффект, исчисляемый в несколько миллиардов рублей при широком внедрении результатов, как на внутреннем рынке, так и на внешнем рынках.