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

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»На правах рукописиУДК 666.3Рудштейн Роман ИльичФизические свойства многослойных композиционных материаловэнергодвигательных установок космической техники и энергетикив условиях воздействия высоких термических и механическихнагрузок01.04.07 – Физика конденсированного состоянияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительд. ф.-м. н., профессорБондаренко Геннадий ГермановичМосква – 20152ОглавлениеСтр.Введение .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5Глава 1. Современное состояние проблемы создания конструк­ционных и функциональных материалов для использованияв термонагруженных узлах космической техники . . . . . .1.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .1.2. Многослойные композиты металл-оксид . . . . . . . . . . . .1.3. Способы изготовления многослойных композитов металл-оксид1.4. Анализ напряженно-деформированного состояния СКМ . . .1.5. Выводы к Главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .131516264347Глава 2. Моделирование термомеханических процессов в сло­истых композиционных материалах . . . . . . . . . . . . . . .2.1. Градиентная теория теплопроводности . . . . . . . . . . . . .2.2. Градиентная модель термоупругости . . . . . . . . . . . . . .2.3. Идентификация параметров градиентной модели . . . . .

. .2.4. Выбор рациональной структуры СКМ . . . . . . . . . . . . .2.5. Оценка термостойкости слоистого композитного материала .2.6. Выводы к Главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49495358657174Глава 3. Методика получения наноструктурированного слои­стого композита оксид алюминия-хром . . . .

. . . . . . . .3.1. Аттестация и подготовка исходных порошков . . . . . . . . .3.2. Технологическая цепочка получения СКМ . . . . . . . . . . .3.3. Исследование плотности образца СКМ . . . . . . . . . . . . .3.4. Исследования микроструктуры и элементного состава образцаСКМ . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .3.5. Исследования фазового состава образца СКМ . . . . . . . . .3.6. Исследование микротвердости слоев образца СКМ . . . . . .3.7. Выводы к Главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 4. Экспериментальное исследование характеристик сло­истого композиционного материала оксид алюминия-хром4.1.

Модуль нормальной упругости и внутреннее трение . . . . . .4.2. Исследование предела прочности при изгибе СКМ . . . . . .4.3. Оценка трещиностойкости СКМ . . . . . . . . . . . . . . . . .4.4. Исследование КТЛР СКМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.5. Исследование температуропроводности и термостойкости СКМ.Верификация модели . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .4.6. Выводы к Главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76767983848890929494961011011041073Стр.Глава 5. Конструктивная схема высокотемпературного узлатранспортировки газообразного теплоносителя в составе энер­годвигательных установок . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.1. Физическая модель ЭВТИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105.2. Результаты численного моделирования теплофизических харак­теристик ЭВТИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125.3. Экспериментальное исследование теплофизических характери­стик ЭВТИ. Верификация модели . . . . . . .

. . . . . . . . . 1175.4. Выводы к Главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119Основные выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124Список литературы4Перечень сокращенийКРКомбинационное рассеяние светаКТЛР Коэффициент термического линейного расширенияРКТ Ракетно-космическая техникаСКМ Слоистый композиционный материалТЗП Теплозащитное покрытиеТССД Теория сред с сохраняющимися дислокациямиЭВТИ Экранно-вакуумная теплоизоляция5ВведениеАктуальность темы исследования. Развитие и совершенствованиеракетно-космической техники, а также энергоустановок наземного назначе­ния в части создания изделий, узлов и агрегатов с улучшенными эксплу­атационными характеристиками и повышенными показателями качества инадежности неразрывно связано с разработкой и исследованием новых мате­риалов, обладающих необходимым для решения той или иной поставленнойзадачи набором физико-химических свойств.

Значительное расширение мас­штабов космической деятельности, потребность в существенном повышенииуровня энергообеспечения и усложнение задач, стоящих перед аэрокосмиче­ской и энергетической отраслями, обусловливают существенное возрастаниетребований, предъявляемых к применяемым материалам.Современные материалы ракетно-космической техники, обладая малойплотностью, должны выдерживать экстремальные нагрузки, вызванные какужесточением условий эксплуатации отдельных узлов летательного аппара­та (высокие температуры, давление, вибрационные нагрузки и т. п.), так ивоздействием всей совокупности факторов космического пространства на ап­парат в целом (воздействие радиации, космической пыли, потоков атомарногокислорода, 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 наих структурные 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 устойчиваятенденция к повышению температуры рабочего газа до 1 300 ℃ и выше в пер­спективных энергодвигательных установках космического и наземного назна­6чения, 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 конструкционных и функциональ­ных материалов, способных эксплуатироваться при столь высоких температу­рах и подходящих для применения в составе термонапряженных узлов высо­комощных энергетических установок космического и наземного назначения,таких как трубопроводы, турбонасосные агрегаты, камеры сгорания, соплаи т.

п. Материалы, традиционно применяемые для нужд аэрокосмической иэнергетической отраслей в недавнем прошлом (главным образом, металличе­ские сплавы), уже не способны в полной мере отвечать новым требованиям.Конструкционные материалы элементов турбонасосных агрегатов должныобладать высокотемпературной прочностью, виброустойчивостью, газоплот­ностью, устойчивостью к перепадам температур, трещиностойкостью, эрози­онной и химической стойкостью.

Функциональные материалы трубопрово­дов, в свою очередь, должны удовлетворять требованиям сверхнизкой тепло­проводности, достаточной механической прочности и стойкости к термоуда­ру при малых массогабаритных параметрах в условиях воздействия высокихтемператур.Необходимость достижения столь сложного сочетания физико-химиче­ских, функциональных и эксплуатационных свойств материалов ставит зада­чу проектирования и разработки конструкционных и функциональных ком­позитов с заданными характеристиками для нужд аэрокосмической и энерге­тической отраслей.К числу наиболее перспективных следует отнести класс многофазныхкомпозиционных материалов со слоистой анизотропной структурой (СКМ).Правильный выбор составляющих фаз композита, его структурных парамет­ров, технологии получения, а также методик исследования и прогнозирова­7ния его свойств и проведения испытаний, является ключом к решению задачипроектирования 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 проектированиюи созданию высокотемпературных СКМ с повышенными конструкционны­ми, функциональными и эксплуатационными показателями для примененияв условиях интенсивных и резко меняющихся тепловых воздействий в соста­ве узлов энергетических и двигательных установок космического и наземногоназначения.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 дан­ных для расчета зависимостей основных величин, характеризующих указан­ные процессы, с необходимой степенью достоверности и точности. Выработкакритериев оценки прочности и термостойкости разрабатываемого материала.2. Создание численных алгоритмов и разработка программного комплек­са, обеспечивающего автоматизацию вычислительного процесса при расчетахс использованием адаптированной физико-математической модели и отвеча­ющего требованиям гибкости конфигурации, достаточного быстродействия,8эффективности и удобства пользовательского интерфейса.3.

Разработка алгоритма оптимизации структуры СКМ в рамках моде­ли и определение оптимальных параметров композитов с наперед заданнымисвойствами посредством численного моделирования.4. Разработка универсального многоэтапного технологического способаполучения СКМ с требуемыми структурными параметрами.5. Выбор системы составляющих компонентов, изготовление опытныхобразцов СКМ. Проведение серии экспериментальных исследований и ис­пытаний теплофизических и термомеханических характеристик образцов по­лученного материала.

Подтверждение корректности выбранных параметровтехнологического 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 их получения.