Л-17 (Электронные лекции), страница 2

Удельная жёсткость – .

Металлы

Наибольшее распространение в производстве металлических элементов РДТТ нашли высокопрочные алюминивые и титановые сплавы и стали.

Таблица.

Из таблицы видно, что высокопрочные алюминиевые сплавы уступают сталям и титановым сплавам по удельной прочности, но приближаются к ним по удельной жёсткости. Учитывая высокую технологичность и относительно низкую стоимость Al-сплавов, их эффективно используют для изготовления частей сопел, утопленных внутрь камеры и для крупно-серийного производства корпусов РДТТ, работающих на устойчивость (РДТТ противолодочных ракет).

Основным недостатком высокопрочных сталей является повышенная чувствительность к концентраторам напряжений, зависящая от направления расположения надреза относительно прокатов листов и толщины материала. Чем толще образец, тем в большей степени проявляется наличие концентратора напряжений.

Волокнистые композиционные материалы

Применение этих материалов сделало возможным создание конструкций с заданными свойствами, наиболее полно отвечающие характеру и условиям работы.

Стеклянное волокно в 50…100 раз прочнее массивного стекла. Это объясняется преимущественной ориентацией и суммированием прочности микромолекул в направлении оси волокна и резким снижением возникновения дефектов (трещин, пузырьков и т.п.) – очагов разрушения в незначительной внешней поверхности волокна. Объединяя волокна с помощью связующих, получаем волокнистые композиционные материалы с уникальными свойствами.

С точки зрения получения конструкционных материалов наименьшей массы представляют интерес элементы 2 и 3 рядов таблицы Менделеева.

Четыре элемента (зачёркнутые) выпадают из рассмотрения в связи с их химической активностью. Наибольший интерес представляют элементы, заключённые в рамки.

Бор из-за хрупкости в массивном объёме не применим. Волокна бора получают осаждением его из паровой фазы на тугоплавкую вольфрамовую проволоку с мкм. Диаметр волокна, получаемого из трёххлористого бора, составляет от76 до 127 мкм. Непрерывная длина волокна достигает 3000 м .

Главный интерес представляет удельная жёсткость бороволокна, она более чем в 5 раз превышает удельную жёсткость стекловолокна и более в чем в 6 раз – высокопрочных сталей, титановых и Al сплавов. Наибольшее распространение получили боропластики на эпоксидных связующих.

Углерод в массивном объёме также хрупок и в несущих конструкциях не применим. Углеродное волокно получают из вискозных или полиакрилвиниловых волокон пиролизом при температуре1600…3000 С в процессе которого даётся определенная вытяжка. В зависимости от температуры и степени вытяжки получают высокопрочные или высокомодульные углеродные волокна.

Углепластики изготовляются с применением эпоксидных или фенольных связующих

Углепластики применяют в конструкциях, работающих на устойчивость под воздействием внешнего избыточного давления, изгибающего момента и осевого сжатия.

Очень перспективна композиция “углерод-углерод”, в которой в качестве связующих для углеродных волокон применяют углеродные графитизированные матрицы. Для получения композиции “углерод-углерод” вначале связывают углеродное волокно фенольной смолой с последующим отверждением под давлением.Затем полученный углепластик подвергают нагреву в контролируемой атмосфере (карбонизация). Получающаяся после этого пористая матрица подвергается донасыщению углеродом (осаждением углерода из паров, например ). В результате образуется композиция с плотностью 1600 и прочность не менее 0,7 ГПа. Композиция “углерод-углерод” рекомендуется для изготовления сверхзвуковых раструбов сопел РДТТ и в некоторых случаях – сопловых вкладышей.

Кремний, так же как В и С, в массивных объёмах не пригоден как конструкционный материал, но волокно по удельной прочности превосходит все известные конструкционные материалы .

Стекловолокно получается выдавливанием расплавленной стекломассы через фильтры диаметром от 0,8 до 3,2 мм и быстрым вытягиванием со скоростью до 3800 на входе из фильтра до диаметра 19…35 мкм. Обычный диаметр волокна 6…9 мкм.

Для силовых оболочек используют стекловолокно, полученное из алюмоборосиликатного состава, имеющего легированные присадки. Для теплозащитных (аблирующих) композиционных материалов используются кремнезёмные и кварцевые волокна, не снижающих своих свойств до 1200 С.

Высокомодульные полимерные органические волокна стойки к воздействию химических веществ, обладают на 20…30% большей, чем стекловолокно сопротивляемостью к поверхностным повреждениям, хорошими электро- и теплоизоляционными свойствами.

Органопластики в настоящее время применяются для изготовления корпусов РДТТ.

Механические свойства материала в изделии обуславливаются схемой расположения волокна и могут сознательно меняться изготовителем изделия, т.е. конструкции могут изготавливаться с регулируемой анизотропией материала.

Метод непрерывной намотки позволяет получать оболочки вращения сложной формы (корпуса камер РДТТ, раструбов сопел, каркасы воспламенителей и т.д.).

Процесс изготовления конструкций методом непрерывной намотки складывается из следующих составляющих процессов: лента (ровница), составленная из однонаправленных нитей (12,60 или 120 пряж в ровнице, пряжа состоит из непрерывных элементарных волокон ~ 200 шт.) пропитывается связующим, подаётся на вращающуюся оправку и укладывают по геодезическим линиям или с незначительным отклонением от них.

В зависимости от характера нагружения оболочки и её геометрии намотка может производиться под любым углом (от1 до ) к оси вращения оправки. Слои лент, намотанные по окружности (под углом к оси оправки) воспринимают только окружные (тангенциальные) напряжения. Для восприятия осевых нагрузок, необходимо между окружными слоями проложить продольные слои.

Таблица.

Выбор конструкционных материалов определяется основными нагрузками, действующими на конструкцию.

Для корпусов РДТТ, работающих кратковременно без длительного нагрева, наиболее эффективно применение органопластиков и стеклопластиков. Однако, при диаметрах корпусов < 200 мм органо- и стеклопластики могут быть менее выгодны по сравнению с высокопрочными металлами из-за уменьшения внутреннего диаметра камеры двигателя и большей, чем у металлов толщины стенки при одинаковой прочности. При малых диаметрах и больших удлинениях органо- и стеклопластики могут быть вообще не приемлемы из-за значительно больших, чем у металлических корпусов, изгибных деформаций, недопустимых для ракет.

Выбору материала должна предшествовать сравнительная оценка напряжённо-деформированного состояния вариантов конструкции из различных материалов. После этого должен быть проведён технико-экономический анализ с учётом влияния факторов нетолько изделия, но и системы в целом.