Автореферат диссертации (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок), страница 4

Значения предела прочностипри изгибе составили 208,1 МПа и 159,5 МПа соответственно. Результаты свиде­тельствуют об умеренной (на уровне 24 %) деградации прочностных свойств. НаРис. 4 приведено РЭМ-изображение микроструктуры поперечного сечения об­разца композита после испытаний. Видно, что трещина претерпевает ветвлениеи боковое смещение. Излом распространяется вдоль поверхностей межслоевыхинтерфейсов, скачкообразно пересекая слои в поперечном направлении. Клю­чевую роль в повышении конструкционных характеристик композита сыгралидва фактора: 1) увеличенная площадь поверхности разрыва за счет наличиядополнительных участков, лежащих вдоль границ сопряжения слоев; 2) пла­стичность металлических слоев, обеспечивающая большую вязкость характераразрушения образца композита (Рис.

5).Экспериментальное исследование температурной зависимости коэффици­ента температуропроводности СКМ осуществлялось методом лазерной вспыш­ки и показало совпадение с расчетной зависимостью, полученной с использо­ванием градиентной модели, на уровне 20 % и менее во всем температурномдиапазоне измерений 25 ÷ 1 100 ℃ (Рис. 6).Методика определения термостойкости СКМ состояла в индентированииповерхности образцов материала алмазной пирамидкой Виккерса под нагрузкой200 Н, которое обеспечивало зарождение трещин в структуре материала, и даль­11Рис. 4.Распространение трещины вструктуре образца СКМРис. 6.Температурные зависимостиэффективного коэффициентатемпературопроводности СКМРис.

5.Иллюстрация вязкогохарактера разрушенияметаллических слоев СКМРис. 7.Зависимость относительногоудлинения трещины оттемпературного перепаданейшем нагреве образцов до заданных температур (в интервале 300 ÷ 1 100 ℃с шагом 50 ℃) в муфельной печи с последующим резким охлаждением в про­точной воде. Критическим значением температурного перепада Δc считалосьмаксимальное значение Δ , предшествующее резкому возрастанию длины тре­щины, которое составило ∼ 600 ℃ (Рис. 7).

Сопоставление аналитической оцен­ки Δc с экспериментальными данными дало совпадение на уровне 10 %.В пятой главе предложена конструктивная схема трубопровода для транс­портировки высокотемпературного (1 500 К) газообразного теплоносителя наборту космического аппарата с заданным ограничением уровня энергетическихпотерь (не более 10 кВт/м2 ). Трубопровод состоит из несущей трубы, выпол­ненной на основе СКМ, и ее наружной экранно-вакуумной теплоизоляционной12оболочки (ЭВТИ). Развита физико-математическая модель, описывающая рас­пространение теплового потока через ЭВТИ и позволяющая определить ее ос­новные теплофизические характеристики [1]; проведено численное параметри­ческое моделирование трубопровода с ЭВТИ, позволившее получить зависимо­сти теплового потока с наружной поверхности и эффективного коэффициентатеплопроводности от количества экранов в слое изоляции при различных давле­ниях остаточного газа, а также распределение температуры по экранам ЭВТИ.Рассмотрим ЭВТИ, состоящую из молибденовых экранов.

Промежуткимежду слоями заполняет газ, соответствующий по параметрам сопутствующейгазовой атмосфере космического аппарата. Технологически разделение слоев сцилиндрической геометрией проводится нанесением на фольговую ленту меха­ническим способом матрицы конусообразных выступов, высота которых задаетмежслойное расстояние. В основе модели лежит система уравнений, каждое изкоторых описывает поток энергии от -го к ( + 1)-му экрану:1, ( )+,+1,1(︁1+1, ( )4)︁ , (4 − +1) + gas + pad =−1= , , ( )4 , = 0, − 1,где и обозначают соответственно внутреннюю и наружную поверхности экра­на, , и , ( ), , и , ( ) — площадь и коэффициент черноты внутренней инаружной поверхности -го экрана соответственно; — температура -го экра­на; — постоянная Стефана-Больцмана; gas — составляющая теплового потока,обусловленная теплопроводностью остаточного газа между экранами; pad — со­ставляющая теплового потока, связанная с теплопередачей посредством конусо­образных выступов или иных специальных разделительных прокладок междуэкранами.Показано, что при остаточном давлении 10 Па для решения поставленнойзадачи применима изоляция, состоящая из 20 экранов; при этом мощность теп­лового потока, уходящего с наружной поверхности ЭВТИ, будет иметь значе­ние на уровне 1,9 кВт/м2 , что соответствует температуре наружной поверхностиоколо 630 К; при этом эффективный коэффициент теплопроводности изоляциисоставит 9,6 мВт/(м · К).Сопоставление результатов теплофизических испытаний макета трубопро­вода с ЭВТИ (Рис.

8) с результатами численного моделирования (Рис. 9) пока­зало, что погрешность разработанной модели не превышает 5 %.Основные выводы. Обобщение полученных результатов позволяет сфор­мулировать следующие выводы.1. На основе градиентных теорий теплопроводности и термоупругости раз­работана универсальная физико-математическая модель для прогнозированиятеплофизических и термомеханических свойств высокотемпературных конструк­ционных СКМ, систематически учитывающая температурные зависимости ха­рактеристик составляющих компонентов. Математически формализована и про­13Рис.

8.Рис. 9.Выход макета трубопровода с ЭВТИ Расчетное распределение температурна стационарный температурныйпо экранам ЭВТИрежимведена процедура идентификации параметров модели на основе массива экспе­риментальных данных. С использованием развитой модели выработан критерииоценки прочности СКМ, учитывающий температурные напряжения и деформа­ции в структуре материала.2. Даны математические формулировки и предложены алгоритмы реше­ния задач конструкционной и функциональной оптимизации структурных па­раметров СКМ с целью достижения требуемого набора физико-механическиххарактеристик конечного материала.

С использованием выработанных критери­ев прочности и трещиностойкости выявлен набор оптимальных структурных па­раметров СКМ конструкционного назначения на основе системы Al2 O3 −Cr, ис­пользованный в процессе реализации технологического цикла получения опыт­ных образцов материала. Результатами оптимизации стали значения толщинкерамического и металлического слоев ℎ1 = 70 мкм и ℎ2 = 20 мкм соответствен­но при числе пар слоев, равном 21.3. На основе разработанной модели и ее программной реализации проведе­но численное параметрическое моделирование температурного распределения,а также картины напряженно-деформированного состояния в структуре СКМAl2 O3 −Cr с оптимальными параметрами в условиях интенсивного тепловоговоздействия.

Показано, что максимальные температурные деформации в струк­туре материала не превышают предельно допустимого уровня.4. Предложен способ аналитической оценки термостойкости СКМ. Пока­зано, что для композита, состоящего из 21 пары чередующихся слоев Al2 O3 и Crс толщинами 70 и 20 мкм соответственно, максимальный температурный пере­пад, выдерживаемый материалом в отсутствие зарождения трещин, составляетне менее Δc = 553 ℃.5. Предложен технологический способ получения слоистого металл-кера­мического композита Al2 O3 −Cr, основанный на методе шликерного пленочноголитья. Выявлены оптимальные параметры технологических циклов на всех эта­14пах синтеза.

Получены опытные образцы композита с оптимальными структур­ными параметрами и посредством аттестации совокупности достигнутых фи­зико-механических свойств доказано их соответствие прогнозируемым характе­ристикам.6. На основе массива экспериментальных данных о структурных, теплофи­зических и термомеханических характеристиках опытных образцов полученно­го материала проведена верификация разработанной физико-математическоймодели и аналитического критерия оценки термостойкости СКМ. Показано,что погрешность расчетной модели не превышает 20 %, а критерия оценки тер­мостойкости — 10 %.7.

Предложена конструктивная схема трубопровода для транспортиров­ки высокотемпературного газообразного теплоносителя на борту космическихаппаратов, выполненного на основе слоистых металл-керамических структур(СКМ и ЭВТИ). Развита физико-математическая модель, позволяющая опи­сывать тепловые процессы в слое ЭВТИ. На основе разработанной модели иее программной реализации проведено численное параметрическое моделирова­ние теплового режима трубопровода с ЭВТИ.

Показано, что при температуретеплоносителя 1 500 К мощность тепловых потерь в космическое пространствосоставит 1,9 кВт/м2 при эффективном коэффициенте теплопроводности изоля­ции 10 мВт/(м · К). На основе результатов теплофизических испытаний макетатрубопровода с ЭВТИ проведена верификация разработанной модели. Показа­но, что погрешность модели не превышает 5 %.Список публикаций1. Функциональные материалы для трубопроводов ядерных энерго-двигатель­ных установок / Р. Н. Ризаханов, М. Н. Полянский, А. А.

Бармин,Р. И. Рудштейн // Перспективные материалы. — 2013. — № 9. — С. 14–18. —(0,34 п. л. /0,085 п. л.).2. Получение наноструктурированного слоистого композита оксид алюминия­хром для применения в термонапряженных узлах ракетно-космической тех­ники / Р. Н. Ризаханов, А. А. Бармин, Р. И. Рудштейн и др. // Перспектив­ные материалы. — 2014. — № 6.

— С. 12–18. — (0,32 п. л. / 0,04 п. л.).3. Керамический композит на основе нитрида бора с повышенной стойкостьюк ионной бомбардировке для применения в составе холловского двигателя /Р. Н. Ризаханов, А. А. Бармин, Р. И. Рудштейн и др. // Перспективныематериалы. — 2014. — № 12. — С. 16–24. — (0,60 п. л. / 0,067 п. л.).4. Prediction of thermal and thermomechanical properties of high-temperaturelaminated composites based on the system Al2 O3 −Cr / R. N.

Rizakhanov,A. A. Barmin, R. I. Rudshtein et al. // Nanomechanics Science andTechnology. — 2015. — no. 1. — (0,60 п. л. / 0,1 п. л.).5. Ризаханов Р. Н., Бармин А. А., Рудштейн Р. И. Теплоизоляторы нового по­коления на основе наноматериалов в ракетно-космической технике // Тру­ды 2-й Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых156.7.8.9.10.11.12.13.16ученых «Функциональные наноматериалы для космической техники», МИ­ЭМ, 2011 г. — 2011. — С. 150–154. — (0,19 п. л. / 0,064 п. л.).Ризаханов Р.

Н., Полянский М. Н., Рудштейн Р. И. Термоизоляция трубо­провода для транспортировки высокотемпературного теплоносителя ядер­ной энерго-двигательной установки // Сборник трудов XXII Международ­ная конференции «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь,9–14 июля 2012 г. — С. 390–397. — (0,272 п. л. / 0,091 п. л.).Ризаханов Р.