Изоляция космических кораблей

Мнстерство освти науки Украни Укранський державний хмко технологчний унверситет Кафедра ХТКС Реферат з дисциплни Основи наукових дослджень Тема Високотемпературна золяця для космчних кораблв Виконав студ. гр. 3-ТК-64 Гурський .А. Переврила доцент Смакота Н.П. Днпропетровськ 2001 Змст Вступ 1. Види високотемпературно золяц, призначення.

Умови служби 2.Сировинн матерали для виготовлення високотемпературно золяц 3.Особливост технолог виробництва високотемпературно золяц 14 Висновок 18 Лтература 19 Вступ Високотемпературна золяця для космчних кораблв та надзвуково авац представля собою зазвичай багатошаровий композицйний матерал, що може протистояти тривалй д пдвищених температур бльше 1000 С, витримувати дю пдвищеного та низького вакуум тиску та ма ще ряд подбних властивостей.

Матерал отримують з оксидв, таких бескисневих з днань, як нтрид кремню, борид кремню, карбд кремню та багато нших, схожих по свом якостям з днань. Для отримання таких матералв застосовуються дуже дорог технолог виробництва, що не в останню чергу вплива на кнцеву вартсть отриманих виробв. Подальша досконалсть технолог виготовлення та хмчного складу дозволить знизити вартсть високотемпературно керамки, а також покращити ряд властивостей, котр необхдн для подальшого використання цього матералу

в космчнй галуз при тому, що вона тльки розвиваться та ма велик перспективи на майбутн завдяки потрбност людини в дослдженн космчного простору. Взагал, високотемпературна керамка це так званий пдклас спецально керамки, виробництво яко безперервно поширються завдяки вимогам новтнх технологй, таких як виробництво теплових машин, електронних та оптичних пристров, аерокосмчно галуз, ржучих нструментв та нших. За цю сферою дяльност слдку Нацональний нститут стандартв та технологй, метою чого досягнення кращого

розумння критичних параметрв матералв мкроструктури та хм, котр контролюють властивост спецально керамки та експлуатацйн характеристики розвинення методв вимрювання, стандартв та накопичення даних, необхдних для управлння цими параметрами, з тим щоб промисловсть могла надйно та ефективно виробляти конкурентноспроможну продукцю високо якост при бльш низьких цнах. Завдяки цьому об м продаж спецально керамки на внутршньому ринку в 1990 роц склав приблизно 53,6 млрд. доларв та досяг 59,2 млрд. доларв у 2000 роц.1. 1.

Види високотемпературно золяц, призначення. Умови служби Високотемпературна золяця призначена для захисту поверхн об ктв в нашому випадку поверхн космчних кораблв вд рзномантно д навколишнього середовища, в якому перебува той чи нший об кт. Високотемпературна золяця може бути рзних видв в залежност вд призначення. Так, наприклад, композицйний матерал може застосовуватись для передньо кромки надзвукових лтакв для

захисту вд тертя повтря об поверхню апарата. Матерал ма склад 20 об. ZrB2 SiC, змцнений безперестанним волокном, отриманим методом хмчного осадження на вуглецеве волокно SiC ПК з послдуючим нанесенням 30 об. покриття з аморфного вуглецю товщиною 2 3 мкм, даметром 140 мкм. Композицйний матерал ма густину 3,12 гсм3, модуль пружност 173 ГПа, порг мцност на розтяг при температурах 1000 та 1200

С дорвню 441 та 200 МПа, та волод високою стйкстю при високих температурах.2. Одним з матералв, призначених для захисту космчних кораблв при вход в густ шари атмосфери 6- шаровий еластичний золюючий композицйний матерал. Зовншнй шар цього матералу представля собою лист товщиною 0,065 см з SiC- волокон даметром 9 мкм з теплопровднстю 0,644 ВтмК. Послдуючий шар складався з корундового матералу товщиною 2,305 см з теплопровднстю 0,15

ВтмК та складеного з волокон даметром 3 мкм, деклька шарв з волокон алюмоборосилкатного скла з даметром волокон 3 мкм, алюмнзовано поламдно плвки, шару волокон з алюмоборосилкатного скла товщиною 0,109 см та даметром волокон 3 мкм та покриття з SiC товщиною 0,036 см. Теплозоляцйн властивост композицйного матералу, при мтуванн входу корабля в атмосферу псля полту, дослдили шляхом нагрву в дуговй плазм та встановили ефективнсть композицйного матералу при густин енергетичного

потоку до 31 Втсм. Наведен аналтичн модел термчних характеристик композицйного матералу, результати випробувань. При товщин композицйного матералу 2,61 см та густин 0,174 гсм, його теплопровднсть при 670 К склала 0,055 ВтмК, а величина питомо тепломкост при 1078К 1,5410 ДжкгК.3. Так матерали мають можливсть використання також для створення та забезпечення надзвукових полетв, високоефективних турбнних двигунв, розробки сучасних ракетних систем.

Одним з нових теплозолюючих матералв система термчного захисту ТОРНАТ, яка складаться з зовншнього керамчного композицйного матералу, з днаного високомцним жорстким золятором, котрий, в свою чергу, з днуться з поверхнею апарату. Мж зовншнм шаром та жорстким золятором помщують гнучкий золятор мало густини. Система волод значним опором удару часток малих енергй, витриму температуру на поверхн до 1700С.4.

Зазвичай, теплозолююч матерали для космчних кораблв це вироби багатократного використання з кремнезему, вкритих глазур ю на основ карбду кремню, що дозволя оптимзувати вдвд тепла вд поверхн космчного корабля в кордонах 650-1260С. Така золяця вкрива близько 80 поверхн космчного корабля. Для порвняння композицйний матерал на основ Si3N4 з введенням 20 об. нитковидних кристалв SiC, виготовлений горизонтальним зостатичним пресуванням без спкаючих добавок волод доброю структурною

стабльнстю при температурах навть до 2000С, але деяк властивост розтрскування та нш не дають можливост використовувати цей матерал окремо, а використання його в поднанн з ншими матералами знижу теплостйксть захисного матералу в цлому. В ракетнй технц можуть застосовуватись графто-епоксидн матерали в сумсност з скловолокном, котр мають нижч властивост, анж матерали на основ карбдв, але достатн для х експлуатац. Як в авац, так в космчнй технц ус детал повинн мати порвняно невелику масу.

Це стосуться також золяцйних матералв, тому нелегко виробити такий матерал, котрий мав би наряду з високими механчними та теплозоляцйними характеристиками невелику масу та мати невелику вартсть. Так, наприклад, фрма PNL США розробила керамчний матерал з тканих металевих та керамчних ниток. Мцнсть матералу порвняна з мцнстю стал A1, хоча х питома маса склада 0,1 маси металв. Матерал назначений для довгостроково експлуатац в космос та його вартсть склала близько 11250 доларв

за 1 кг. Для запобгання виробв вд ударв метеоритв передбачен багатошаров екрани. У композицйних матералв з вуглецевою матрицею, армованою волокнами вуглецю низька густина, пдвищена механчна мцнсть при дуже високих температурах та висока стйксть до окислення. Вартсть таких композицйних матералв склала 5000 45000 доларв за один клограм.5. 2. Сировинн матерали для виготовлення високотемпературно золяц

Склад сировинних матералв високотемпературно золяц може бути рзним. Одн сполуки придають виробу в язксть,нш пористсть, твердсть, мцнсть, теплозолююч якост та нш властивост. Тому в залежност вд спецального призначення золюючого матералу склад сировинних матералв регулюють таким чином, щоб забезпечити надйну службу золяц на протяз довгого часу. Але основними сировинними матералами для виготовлення високотемпературно золяц карбди, зокрема карбд

кремню та нтрид кремню. Розглянемо властивост цих матералв. Нтрид кремню Si3N4 отримують високотемпературними хмчними реакцями при 1000 1600С. Перш керамчн реакцонно спечен порист вироби з Si3N4 були отриман пресуванням виробв з порошка Si з послдуючим опалом в середовищ N2.Густ вироби з Si3N4 мають високу твердсть, стйксть до окислення та в язксть руйнування 4 11

МПам12. високотемпературн властивост в бльшй мр пов язан з використанням активуючих спкання домшок, таких як CaO, MgO, Y2O3 та нших оксидв РЗЕ. Густина Si3N4 3,44 гсм. Нтрид кремню кристалзуться в орторомбчнй систем. При температур 1900 С Si3N4 розкладаться. Нтрид кремню хмчно нертний до багатьох розплавлених металв та солей. Розплавлен дк луги розкладають його з видленням амаку.

Нтрид кремню використовують як зв язки у виготовлен виробв з карбду кремню. Таку зв язку отримують шляхом опалу в середовищ азоту виробв з SiC та введеного в нього металчного кремню. Коефцнт теплового розширення Si3N4 невеликий та склада 2,4610-6 при 20-1000 C. Теплопровднсть полкристалчного Si3N4 0,0037 ккалсмсекС при 200-1300 C. Термостйксть виробв добра.

Порг мцност при стисканн Si3N4 при кмнатнй температур 5000-6000 кГсм, при згинанн 1100-1400 кГсм. Мцнстн характеристики до 1400С змнюються незначно. Густа Si3N4 керамка складена основним чином з високотемпературного b-Si3N4. Свтове виробництво Si3N4 склада приблизно 500 трк. Карбди це з днання вуглецю з металами MeC. Вони вдрзняються високою температурою плавлення або розкладання.

Найбльше використання у технц здобули карбди титану TC карбд кремню SC. Карбд титану використовують головним чином для виготовлення жаростйких матералв, деталей в реактивнй технц, а також деяких виробв для атомних реакторв та в нших випадках. Карбд кремню SiC найбльш широко використовують в ряд областей технки завдяки великй твердост абразиви, вогнетривкост та специфчним електрофзичним властивостям.

Дан о властивостях SiC наведен нижче. Густина в гсм 3,21 Твердсть по мнералогчнй шкал 9,2 9,5 Мкротвердсть в кгсм 3000 4500 Порг мцност в кгсм при стисканн перпендикулярно оптичнй ос22500 при згинанн 1550 Теплопровднсть виробв з рекристалзованого карбду кремню при 200-1400 C в калсмсекград 0,04 Коефцнт термчного розширення в нтервал температур 20-1000

C град-1 5.210-6 Величина та характер змни електроопору в област температур до 1500 С, а також висока стйксть до окислення при тривалй д високих температур обумовили використання карбду кремню як матерал для електронагрвних опорв. Окрм виготовлення нагрвних елементв та нелнйних опорв карбд кремню використовують як конструкцйний матерал для ракетно технки. Однак перед цим проводилася тривала дослдницька робота, яка була направлена на отримання густого беспористого

карборунду. Такий матерал в СРСР та за кордоном був отриманий. Його вдносна густина склада 0,95-0,98, порг мцност при стисканн 10000-14000 кГсм.6. 3. Особливост технолог виробництва високотемпературно золяц Виробництвом високотемпературно золяц займаться багато фрм та с часом технолог виробництва удосконалюються. Цим пояснються велика кльксть запропонованих способв виробництва високотемпературно золяц для космчних

апаратв, ракет та надзвукових лтакв. Розглянемо деяк з них. Виготовляються легковажн високотемпературн керамчн теплозоляцйн блоки з низькою теплопровднстю, високою мцнстю методом формування виробв з стльниковою структурою з високотемпературного матералу. Формування заготвок робиться шляхом поперемнного з днання гофрованих та плоских листв, для одержання яких використовують волокна з Al2O3, SiO2, C, ZrO2,

Si3N4, SiC, нитковидн кристали SiC, Si3N4 з послдуючим опалом. На отриманий вирб наноситься керамчне високотемпературне покриття.7. При нанесенн покриття методом хмчного осадження з газово фази при вигоранн сходн матерали розчинюються в палаючих органчних розчинниках ксилол або толуол, розчин розпилюють за допомогою окислюючого газу, наприклад, повтря, у вигляд аерозоля навкруги пропаново горлки, в результат чого трапляться його загорання.

Вироби, на як повинно бути нанесене покриття помшають в або рядом з полум ям та витримують на протяз часу, достатнього для нанесення покриття потрбно товщини. Застосовуться композицйний матерал з SiC змцненим волокном Nicalon, Nextel та С з ортотропним та кваззотропним розмщенням волокон, котрий отримуться методом пропитки формованих заготвок з волокна хмчним осадженням з газово фази.

Псля обробки на протяз 100 хвилин при температур 1500С композицйний матерал, змцнений волокном Nicalon, вдрзнявся незначною змною маси та вдсутнстю змни морфологчних характеристик поверхн. На поверхн кордону роздлу волокно матриця утворився вуглецеподбний шар. Втрата маси композицйних матералв, змцнених волокном Nextel, з ортотропним розмщенням волокон при температур 1100С склала 2,04107 гсмс.

8. Конструкцйний керамчний композицйний матерал, складений з 30-60 об. вуглецевих волокон, 10-55 об. матриц з SiC та C при х масовому спввдношенн вд 201 до 21 та 5-40 об. вдкритих та закритих пор, на який наносять багатошарове захисне покриття, ма так властивост с 2.3 гсм, максимальна температура застосування 1600С, урозт 200 МПа без крихкого руйнування, стйкий в кислй атмосфер на повтр. При температур 20-1600С на протяз не менше 50 годин, може витримувати без руйнування не менше 100 термоударв.

Перший шар цього покриття товщиною 20-150 мкм складаться з одного або деклькох з днань, що мстять Si, C, B, O2, другий шар товщиною 50-250 мкм з боридв та або силцидв перехдних металв в комбнац з SiC, SiO2 або SiOC, третй шар товщиною 20-250 мкм з одного або деклькох з днань типа SiO2, SiC, MoSi2, Zr2B, Si3N4, ZrO2, Y2O, Al2O3, Al2O3SiO2 та нших. Все бльший попит ма автоматизована технологя нанесення багатошарових високотемпературних захисних покриттв

з використанням випромнювання СО2-лазера з оптикою з Ge та комп ютерним сканером. Лазерним променем нарзають заготвки потрбного розмру, котр псля цього приварюють променем до наступного шару з послдуючим вирзанням заготвок потрбно форми. З отриманих 28-шарових корундових заготвок на органчному та неорганчному зв язуючому та з нанесеним спецальним тимчасовим покриттям на силконовй основ.

Такий матерал також перспективним в автомобльнй галуз. 9.Технологя нанесення покриття на волокна для композицйних матералв з керамчною матрицею шляхом хмчного осадження з газово фази SiC та золь-гель технологя TiO2, Nb2O5 дозволя використовувати високотемпературн покриття без окислення до 1482С.10. Висновок Галузь виробництва високотемпературно золяц для космчних кораблв ще тльки розвиваться, в цй

сфер величезний обсяг роботи, тому це дуже прибуткова дяльнсть особливо для тих компанй, як не тльки запропонували, а займаються виробництвом високотемпературно золяц, котрих в наш час поки ще не багато. В ход розвитку ц галуз по мр вдосконалення технологй виробництва буде знижуватись вартсть та пдвищуватись яксть продуктв. Лтература 1. Цитую по РЖХ 2 1994 2М2. Специальная керамика-ключ к будущим технологиям. Advanced ceramics a key to future technologies

Amer. Ceram. Soc. Bull 1992 71, 2 с. 180-181 Англ. 2. Цитую по РЖХ 11 1994 11M 108. Получение и характеристика композиционных материалов на основе диборида циркония, упрочненных непрерывным волокном, для передней кромки самолетов. Preparation and characterization of continuous fiber reinforced zirconium diboride matrix composites for a leading edge material Stuffle Kevin, Lougher

Waine, Chanat Stephanie Adv. Mater. Meet. Econ. Challenge 24th Int. SAMPE Techn. Conf Toronto, Oct. 20-22, 1992 Covina Calif 1992 c. т935-т949 Англ. 3. Цитую по РЖХ 6 1993 6M167. Эластичные композиционные изоляционные материалы для защиты космических кораблей. Composite flexible insulation for thermal protection of space vehicles

Kourtides Demetrius A. Tran Huy K Chiu S. Amanda 37th Int. SAMPE Symp. And Exhib.Mater. Work for you 21st Cent. March,9-12,1992. Covina Calif 1992 c. 147-158 Англ. 4. Цитую по РЖХ 11 1994 11M122. Система термической защиты из керамического композиционного материала для сверхзвуковых летательных аппаратов. A ceramic matrix composite thermal protection system for hypersonic

vehicle Riccitiello S.R Love W.L Pitts W.C. SAMPE Quart 1993 24,4 с.10-17 Англ. 5. Цитую по РЖХ 10 1993 10M163. Применение необычных композиционных материалов. Exploit miracle materialsTortolano F.W.Des.News 1992 48,13 с.146-148,150,152,154 Англ. 6. Балкевич Виктор Львович. Безкислородные соединения Техническая керамика М. Стройиздат, 1968 с. 138-143. 7.

Цитую по РЖХ 14 1992 14M133П. Высокотемпературные теплоизоляционные блоки. Заявка 280380 Япония, МКИ5 С04 В 3580,С. Кэнъити Мацусита дэнки санг К.К 63-230074 Заявл.16.9.88 Опубл.20.3.90 Кокай Токк Кохо.Сер. 31 1990 18 с.489-492 яп. 8. Цитую по РЖХ 10 1994 10M121. Применение керамических композиционных материалов в аэрокосмической промышленности.

Evaluation of 2D ceramic matrix composites in aeroconvective environments Riccitiello Salvatore R Love Wendell L Balter-Piterson Aliza Adv.Mater.Meet. Econ. Challenge 24th Int. SAMPE Techn. Conf Toronto,Oct.20-22,1992 Covina Calif 1992 с.т1107-т1122 Англ. 9. Цитую по РЖХ 2 1992 2M 114. Новости технологии нанесения многослойных керамич. покрытий.

Engineering news Des. News 1991 47,6 с.45 Англ. 10. Цитую по РЖХ 3 1994 3M 64. Нанесение покрытий на волокна для композиционных материалов с керамической матрицей. Fiber coatings for ceramic matrix compositesDap. 16th Annu. Conf. Compos. and Adv. Ceram. Mater Cocoa Beach, Fla Jan.7-10,1992 Carpenter H.W Bohlen J.W.Ceram.

Eng.and Sci. Proc 1992 13,7-8,Pt 1 C.238-256 Англ.