Автореферат диссертации (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок)

На правах рукописиРудштейн Роман ИльичФизические свойства многослойных композиционных материаловэнергодвигательных установок космической техники и энергетики вусловиях воздействия высоких термических и механическихнагрузок01.04.07 – Физика конденсированного состоянияАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена в федеральном государственном автономномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор,заслуженный деятель науки РФБондаренко Геннадий ГермановичОфициальные оппоненты:Дидык Александр Юрьевич,доктор физико-математических наук,Объединенный институт ядерныхисследований,ведущий научный сотрудник Центра приклад­ной физики Лаборатории ядерных реакцийим.

Г. Н. ФлероваХасаншин Рашид Хусаинович,кандидат физико-математических наук,доцент,ОАО «Композит»,начальник лаборатории математического моде­лированияВедущая организация:ФГАОУ ВПО «Московский физико-техниче­ский институт (государственный университет)»Защита состоится «23» марта 2016 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссер­тационного совета Д 212.141.17, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московскийгосударственный технический университет имени Н.Э. Баумана», по адресу:248000, г. Калуга, ул. Баженова, 2, МГТУ им.

Н. Э. Баумана, Калужский фи­лиал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана ина сайтах http://www.bmstu.ru, http://www.bmstu-kaluga.ru.Автореферат разослан «»2016 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наук, доцентЛоскутов С. А.Общая характеристика работыАктуальность темы исследования. Развитие и совершенствование ракетно-космической техники, а также энергоустановок наземного назначения вчасти создания изделий, узлов и агрегатов с улучшенными эксплуатационнымихарактеристиками и повышенными показателями качества и надежности нераз­рывно связано с применением материалов, обладающих необходимым наборомфизико-химических свойств. Значительное расширение масштабов космическойдеятельности, потребность в существенном повышении уровня энергообеспе­чения и усложнение задач, стоящих перед аэрокосмической и энергетическойотраслями, обусловливают существенное возрастание требований, предъявляе­мых к новым материалам — объектам физики конденсированного состояния.Современные материалы ракетно-космической техники, обладая малой плот­ностью, должны выдерживать экстремальные нагрузки, вызванные как ужесто­чением условий эксплуатации отдельных узлов летательного аппарата (высокиетемпературы, давление, вибрационные нагрузки и т.

п.), так и воздействиемвсей совокупности факторов космического пространства на аппарат в целом(воздействие радиации, космической пыли, потоков атомарного кислорода, про­дуктов собственной внешней атмосферы космических аппаратов и т. п.).Весь спектр сильных и зачастую резко меняющихся воздействий на кон­струкции и функциональные элементы оказывает существенное влияние на ихструктурные свойства и, как следствие, на надежность и ресурс энергодвига­тельных установок различного назначения.Необходимо отметить, что эффективность преобразования энергии возрас­тает с ростом температуры рабочего тела. Этим объясняется устойчивая тен­денция к повышению температуры рабочего газа до 1 300 ℃ и выше в перспек­тивных энергодвигательных установках космического и наземного назначения,в особенности, использующих ядерную энергию (атомных установках, применя­емых на борту космических аппаратов, атомных электростанциях, судах, под­водных лодках и т.

п.).В этой связи на сегодняшний день все большую актуальность приобрета­ет проблема разработки и исследования объектов физики конденсированногосостояния, способных эксплуатироваться при столь высоких температурах иподходящих для применения в составе термонапряженных узлов высокомощ­ных энергетических установок космического и наземного назначения, таких кактрубопроводы, турбонасосные агрегаты, камеры сгорания, сопла и т. п. Матери­алы, традиционно применяемые для нужд аэрокосмической и энергетическойотраслей в недавнем прошлом (главным образом, металлические сплавы), ужене способны в полной мере отвечать новым требованиям. Конструкционныематериалы элементов турбонасосных агрегатов должны обладать высокотем­пературной прочностью, виброустойчивостью, газоплотностью, устойчивостьюк перепадам температур, трещиностойкостью, эрозионной и химической стой­костью.

Функциональные материалы трубопроводов, в свою очередь, должны1удовлетворять требованиям сверхнизкой теплопроводности, достаточной меха­нической прочности и стойкости к термоудару при малых массогабаритных па­раметрах в условиях воздействия высоких температур.Необходимость достижения столь сложного сочетания физико-химических,функциональных и эксплуатационных свойств материалов ставит задачу про­ектирования и разработки конструкционных и функциональных композитов сзаданными характеристиками для нужд аэрокосмической и энергетической от­раслей.К числу наиболее перспективных объектов физики конденсированного со­стояния следует отнести класс многофазных композиционных материалов сослоистой анизотропной структурой (СКМ).

Правильный выбор составляющихфаз композита, его структурных параметров, технологии получения, а такжеметодик исследования и прогнозирования его свойств и проведения испытаний,является ключом к решению задачи проектирования материала с наперед за­данными свойствами.Степень разработанности темы исследования. Работы по даннойтематике в последние годы активно ведутся как отечественными, так и зару­бежными научными группами. Тем не менее, основной акцент подавляющегобольшинства работ делается на исследовании свойств и характеристик полу­ченных композитов, в то время как работ, направленных на прогнозированиеи структурную оптимизацию термомеханических и теплофизических свойств,относительно немного.

Кроме того, представленные модели не обладают доста­точной степенью универсальности и носят феноменологический характер.Цели и задачи диссертационной работы: Основной целью работы яв­ляется разработка единого комплексного подхода к проектированию и созданиювысокотемпературных СКМ с повышенными конструкционными, функциональ­ными и эксплуатационными показателями для применения в условиях интенсив­ных и резко меняющихся тепловых воздействий в составе узлов энергетическихи двигательных установок космического и наземного назначения.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:1.

Обоснование выбора и адаптация физико-математической модели, поз­воляющей описывать закономерности протекания теплофизических и термоме­ханических процессов и явлений в структуре слоистых композитов, и проведе­ние идентификации параметров модели на основе экспериментальных данныхдля расчета зависимостей основных величин, характеризующих указанные про­цессы, с необходимой степенью достоверности и точности. Выработка критериевоценки прочности и термостойкости разрабатываемого материала.2. Создание численных алгоритмов и разработка программного комплек­са, обеспечивающего автоматизацию вычислительного процесса при расчетах сиспользованием адаптированной физико-математической модели и отвечающе­го требованиям гибкости конфигурации, достаточного быстродействия, эффек­тивности и удобства пользовательского интерфейса.3.

Разработка алгоритма оптимизации структуры СКМ в рамках модели2и определение оптимальных параметров композитов с наперед заданными свой­ствами посредством численного моделирования.4. Разработка универсального многоэтапного технологического способа по­лучения СКМ с требуемыми структурными параметрами.5. Выбор системы составляющих компонентов, изготовление опытных об­разцов СКМ. Проведение серии экспериментальных исследований и испытанийтеплофизических и термомеханических характеристик образцов полученногоматериала. Подтверждение корректности выбранных параметров технологиче­ского цикла. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с ре­зультатами численного моделирования.

Верификация использованной модели,анализ ее погрешностей и границ применимости.Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что наоснове адаптированных подходов и теоретических моделей разработан универ­сальный алгоритм прогнозирования свойств СКМ и технологический способ ихполучения.