Диссертация (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок), страница 2

В ходе работы:1. На основе градиентных теорий теплопроводности и термоупругостипредложена универсальная модель для прогнозирования свойств СКМ, пред­назначенных для применения в условиях интенсивных и резко меняющихсятепловых воздействий, систематически учитывающая температурные зависи­мости теплофизических и механических характеристик составляющих компо­нентов. Формализована и проведена процедура идентификации параметровмодели на основе массива экспериментальных данных. Посредством моделиполучены температурное распределение, а также картина напряженно-дефор­мированного состояния в структуре СКМ в условиях интенсивного тепловоговоздействия.2. Сформулирована математическая задача оптимизации структурныхпараметров СКМ с целью достижения требуемого набора физико-механи­9ческих характеристик конечного материала.

Выявлен набор оптимальныхструктурных параметров СКМ на основе системы Al2 O3 −Cr, использован­ный в дальнейшем в процессе реализации технологического способа получе­ния материала.3. Определен набор оптимальных параметров технологического режи­ма получения СКМ на основе металл-керамической системы Al2 O3 −Cr. По­лучены опытные образцы указанного композита и посредством аттестациисовокупности достигнутых физико-механических свойств доказано их соот­ветствие прогнозируемым характеристикам.4. Предложен способ аналитической оценки термостойкости СКМ, ре­зультаты которого подтверждены серией экспериментальных исследованийударного теплового воздействия на полученные опытные образцы.5.

Предложена конструктивная схема реализации высокотемпературно­го трубопровода для транспортировки газообразного теплоносителя, выпол­ненного на основе слоистых металл-керамических структур и предназначен­ного для эксплуатации в составе энергетических и двигательных установок.Проведен расчет теплового режима трубопровода.Достоверность полученных результатов подтверждена:1) сопоставлением результатов численного моделирования с результата­ми экспериментальных исследований;2) сопоставлением полученных результатов с данными, опубликованнымдругими исследователями и освещенными в литературных источниках;3) соответствием метрологических характеристик использованного из­мерительного оборудования установленным государственным требованиям истандартам, отраженным в сертификатах оборудования.Теоретическая и практическая значимость. Результаты, изложен­ные в диссертационной работе, могут быть использованы при проектирова­нии и разработке деталей, узлов и агрегатов энергетических и двигательныхустановок с повышенными функциональными и эксплуатационными показа­10телями, предназначенных для применения в условиях интенсивного теплово­го воздействия.Разработанная физико-математическая модель в совокупности с предло­женной процедурой оптимизации структурных параметров позволяет прогно­зировать физико-механические свойства СКМ, а также многослойных функ­циональных (главным образом, теплозащитных) покрытий в условиях ин­тенсивного теплового воздействия.

Отработаны параметры технологическогоцикла получения СКМ металл-керамической системы Al2 O3 −Cr, допускаю­щего размерное масштабирование и позволяющего получать конечные изде­лия сложной геометрической формы.На защиту выносятся следующие положения.1. Физико-математическая модель и программный комплекс для расче­та картины температурного распределения и напряженно-деформированногосостояния СКМ в условиях интенсивного теплового воздействия, а также ме­тодика проведения процедуры идентификации параметров модели на основемассива экспериментальных данных.2. Формулировка математической задачи оптимизации структурных па­раметров СКМ с целью достижения требуемого набора физико-механическихсвойств с учетом ограничений, накладываемых на значения функциональныххарактеристик конечного материала.3. Аналитические соотношения, отражающие критерий прочности и оцен­ку термостойкости СКМ.4.

Параметры технологического цикла получения слоистого металл-кера­мического композиционного материала на основе системы Al2 O3 −Cr, а так­же результаты экспериментальных исследований образцов, созданных в соот­вествии с оптимизированными режимами.5. Конструктивная схема реализации высокотемпературного трубопро­вода, выполненного на основе слоистых композиционных структур и пред­назначенного для транспортировки газообразного теплоносителя в составе11современных энергетических и двигательных установок.Аппробация работы. Основные результаты диссертационной работыдокладывались на следующих конференциях:– ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантови молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ и ВШЭ (г.

Москва, 2011, 2013–2015 гг.)– 2-й Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодыхученых «Функциональные наноматериалы для космической техники», МИ­ЭМ (г. Москва, 2011 г.);– XXII, XXIII, XXV Международных конференциях «Радиационная фи­зика твердого тела» (г. Севастополь, 2012, 2013, 2015 гг.);– научно-технической конференции с участием зарубежных специали­стов «Вакуумная наука и техника» (г. Судак, 15–24 сентября 2012 г.).Материалы диссертации были включены в отчетные материалы по го­сударственным контрактам с Роскосмосом: СЧ НИР «Магистраль» (Нано)в части создания высокотемпературных СКМ (гос.

контракт № 251-2128/12,Этапы 1–7, 2013–2015 гг.) и НИР Двигатель (Раздел «Материалы и топливо»,2014–2015 гг.).Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных ра­ботах, из них 4 статьи в рецензируемых журналах [1–4], 5 статей в сборникахтрудов конференций [5–9], 4 тезиса докладов [10–13].Личный вклад автора. Общая постановка задачи проектированияСКМ выполнена д.ф.-м.н. Бондаренко Г.Г. Детализация задачи в части ориен­тации на применение в составе узлов энергетических и двигательных устано­вок космического назначения в условиях интенсивных тепловых воздействийпроведена к.ф.-м.н. Ризахановым Р.Н.Автором были определены пути решения задач, разработаны теоретиче­ские и расчетные модели, проведена верификация модели с использованиеммассива экспериментальных данных, определены конкретные прикладные за­дачи, обработаны и обобщены полученные результаты.12Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введе­ния, 5 глав, основных выводов и библиографии. Общий объем диссертации137 страниц, из них 123 страницы текста, включая 49 рисунков, 16 таблиц.Библиография включает 106 наименования на 14 страницах.Автор выражает благодарность к.т.н.

А.А. Бармину и к.ф.-м.н. Р.Н. Ри­заханову (Центр по применению нанотехнологий в космической энергетикеи электроснабжении космических систем ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»), атакже своему научному руководителю д.ф.-м.н., профессору Г.Г. Бондаренко(Департамент электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ) за всестороннююпомощь и консультации, оказанные в процессе написания диссертационнойработы.13Глава 1. Современное состояние проблемы создания конструкци­онных и функциональных материалов для использования в термо­нагруженных узлах космической техникиПотребность авиационной и ракетно-космической техники в композици­онных материалах непрерывно растет, что связано со всевозрастающими тер­мическими и механическими нагрузками на элементы конструкций (теплоза­щитные покрытия, теплоизоляцию, уплотнения, технологическую оснасткуи т.

п.), требованиями повышения термостойкости, надежности, эффективно­сти и увеличения ресурса летательных аппаратов. Материалы элементов кон­струкций должны обладать зачастую совокупностью свойств, не достижимыхв существующих однофазных материалах. Для повышения термостойкости,прочности и стойкости в различных средах в огнеупорах, покрытиях, тепло­изоляциях все более широко используются разнообразные композиционныематериалы на основе керамической матрицы.По способу армирования керамической матрицы металлическими вклю­чениями такие композиционные материалы делятся на три группы: дисперс­но упрочненные, волокнистые, слоистые.В данном обзоре рассмотрены только слоистые неабляционные компози­ционные материалы с рабочей температурой 1 200 ÷ 2 000 ℃.Слоистыми композитами называются системы, состоящие из набора че­редующихся двумерных армирующих компонентов в виде листовых, пластин­чатых и фольговых материалов, жестко связанных между собой по всей по­верхности.

Различные типы структур многослойных композитов представле­ны на Рис. 1.1.14(а). с равномерно чередующимисяразнородными слоями(б ). из однородных слоев(в). со слоистымимакрокристаллами(г). с переменным химическимсоставом слоев по толщине изделия(д ). со слоями различной плотности(е). полученный направленнойкристаллизацией(ж). многослойная(многоэкранная) теплоизоляция(з). сотовая конструкцияРис.

1.1.Основные типы многослойных композитовСледует отметить, что во многих литературных источниках приводят­ся недостаточно полные и отрывочные сведения о слоистых композиционныхматериалах, как, например, в [14–19]. В данной главе предпринята попыт­ка сбора и систематизации наиболее значимых результатов работ, как оте­15чественных, так и зарубежных, достигнутых в данной области.

Кроме того,сформированы требования к характеристикам разрабатываемого материалапри заданных условиях его эксплуатации.1.1. Постановка задачиСформулируем алгоритм решения задачи проектирования композицион­ного материала с заданными физико-механическими свойствами.1. Постановка задачи: формирование требований к материалу, выражен­ных в форме набора значений характеристик, которым должен удовлетворятьразрабатываемый материал.2. Выбор системы составляющих компонентов и типа структуры компо­зита на основе результатов сравнительного анализа данных об особенностяхфизико-химического взаимодействия различных фаз между собой при рабо­чих условиях эксплуатации и сведений о влиянии типа структуры на конеч­ные свойства материала.3.

Выбор наиболее подходящей (для решения поставленной задачи) фи­зико-математической модели, способной с достаточной степенью достоверно­сти и точности описывать поведение композиционного материала при задан­ных внешних условиях, а также прогнозировать изменение его теплофизиче­ских и термомеханических свойств. Адаптация и корректировка (например,введение дополнительных поправок) выбранной модели под конкретные усло­вия решаемой задачи. Разработка программной реализации модели, предо­ставляющей удобный и эффективный способ проведения вычислений с мини­мальными временными и ресурсными затратами с возможностью варьирова­ния входных параметров модели в достаточно широком диапазоне.