Диссертация (Физическое и математическое моделирование теплообмена в керамических конструкционных материалах), страница 2

Разработана методика определения коэффициентов теплопроводности новой термостойкой керамики на основе диоксида кремния и нитридакремнияпритемпературахдо1673К.Полученырасчетно-экспериментальные данные с погрешностью, не превышающей 7%.На защиту выносятся методика определения теплопроводности керамики на основе диоксида кремния и нитрида кремния на автоматизированномстенде теплофизических исследований с установкой радиационного нагреваи новые научные результаты.Практическая значимость диссертационной работы:1. Создан автоматизированный стенд высокопроизводительных теплофизических исследований керамических материалов с односторонним радиационным нагревом образцов в диапазоне изменения температур 300-1673 К и8темпов нагрева до 50 град/с, удовлетворяющий условиям экспериментов ссохранением паспортной (исходной) структуры и свойств исследуемых материалов.2.

Получены расчетно-экспериментальные данные по теплопроводности новой перспективной керамики на основе диоксида кремния и нитридакремния марок НИАСИТ-8ПП, ОТМ-357, ОТМ-904 в диапазоне измерениятемператур 300-1673 К и темпа нагрева 5 град/с, которые нашли применениев теплопрочностных расчётах элементов конструкций авиационной и ракетно-космической техники.3. Разработанные и апробированные математические модели, методы исредства исследований используются для определения коэффициентов теплопроводности керамических материалов антенных обтекателей, создаваемых в ОАО «ОНПП Технология».4.

Проведенные в данной работе исследования и разработанное на ихоснове оборудование методы и средства позволили повысить температуруопределения коэффициента теплопроводности перспективных керамическихматериалов с 1100 до 1673 К и более чем на два прядка величины сократиливремя проведения эксперимента, в двадцать пять раз уменьшили расходэлектроэнергии, потребляемой в эксперименте.Степень достоверности результатов исследований, проведенных на моделях и образцах керамических материалов, подтверждается:высоким уровнем метрологического обеспечения на стенде с использованием автоматизированных систем с современным математическим программным обеспечением;сопоставлением для одних и тех же материалов результатов специальных тестовых численных и физических экспериментов данной работы с экспериментальными данными, полученных традиционными методами.Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации, состоит в формулировке цели, постановке задач, выборе направленийисследований, разработке методов моделирования и программного обеспече9ния, анализе и обобщении полученных результатов.

Все основные результаты и выводы по работе сформулированы лично автором.Апробация основных результатов диссертации. Материалы диссертационной работы доложены автором на: 2-й Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы», Москва, 2003 г.; 27-м Сибирском теплофизическом семинаре. –Москва-Новосибирск, 2004 г., 16-й научно-технической конференции странСНГ по проблеме «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов» г. Обнинск, 2004 г.; Международном научном симпозиуме «Передовые технические системы и технологии», мыс Фиолент, Севастополь, Автономная республика Крым, Украина, 2005 г.; Международномнаучном симпозиуме «Теплофизика и термодинамика ракетно-космическихсистем», Москва, МГТУ им.

Н.Э. Баумана, 2005 г.; 3-й и 4-й Международнойконференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», п.п. Кацивели – Понизовка, Жуковка, Автономная республика Крым, Украина, 2004, 2006, 2010 г.г.; 3-й Международной научной конференции «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладныепроблемы», Москва, 2007 г.; 3-ей Международной конференции «Аэрокосмические технологии» посвящённая 100-летию со дня рождения академикаВ.Н. Челомея, Реутово-Москва, ОАО »ВПК »МПО Машиностроение», МГТУим Н.Э.Баумана, 2014 г.Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ в виде статей и тезисов докладов в научно-технических журналах, в томчисле из списка ВАК, и сборниках, сделано 9 докладов на научных симпозиумах и конференциях в 2004-2014 г.г.Объем и структура работы.

Диссертация имеет общий объем 127 страниц и состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 55 рисунков,4 таблицы, а также библиографию из 85 наименований.10В первой главе дан обзор современного состояния материаловедческих итеплофизических исследований конструкционной керамики, сформулированы цель и задачи настоящей работы. Вторая глава посвящена математическому моделированию теплофизического эксперимента с образцами керамических материалов.

В третьей рассмотрены вопросы создания автоматизированного теплофизического стенда. В четвертой главе описана разработаннаяметодика, приведены результаты исследований теплопроводности конструкционных керамических материалов новым и традиционными методами.Автор выражает глубокую благодарность зав. кафедрой «Ракетнокосмические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э. Баумана, профессору, д.т.н.

Резнику С. В. за научное руководство и всестороннюю помощь, директору – главному конструктору НПК РПО ОАО «ОНПП «Технология»,профессору, д.т.н. Русину М.Ю. за ценные советы и поддержку в работе наддиссертацией. Диссертант также благодарит своих коллег из ОАО «ОНПП«Технология», оказавших практическую помощь в создании автоматизированного испытательного оборудования и содействие в проведении экспериментальных исследований.111. Современное состояние теплофизических исследований конструкционнойкерамики1.1. Разновидностиконструкционныхкерамическихматериалови их теплофизические свойстваВ конструкциях различного назначения для атомной и авиационной отраслей производства нашли применение керамические материалы, удовлетворяющие ряду специфических требований: устойчивостью к тепловомуудару, высокой радиопрозрачностью, высокой удельной прочностью. Такиематериалы, как правило, имеют низкую теплопроводность и температуропроводность, достаточно высокую теплоемкость, высокую прочность во всемтемпературном диапазоне, высокую ударную вязкость работы разрушения,низкую плотность и сохраняют работоспособность при температурах наружной поверхности обтекателя выше 1300 К [1].С целью возможного применения ведутся исследования со следующимикерамическими материалами: нитридная керамика, представляющая собой соединения азота с металлами и неметаллами, получаемые различными технологическими процессами; оксидная керамика, являющаяся продуктом спекания тугоплавких оксидов различных химических элементов – алюминия, магния, бериллия, иттрия, циркония и многих других; оксидная керамика на основе диоксида кремния в виде ситаллов, стеклокерамики и кварцевой керамики, представляющих собой стеклокристаллические составы, получаемые по технологии горячего прессования или керамической технологии.Одним из основных требований к высокотемпературным материаламявляется высокая огнеупорность, определяющим критерием которой при выборе материалов является температура их размягчения Тразм (начало переходав пластическое состояние).

В соответствии с этим отмеченные выше матери12алы располагаются в убывающий по Тразм (К) ряд: BN (3100) > МgО (2900) >ВеО (2620) > Al2О3 (2120) > SiО2 (I680) > стеклокерамика (1640) > ситалл(I620).Самым существенным фактором, ограничивающим применение неорганических огнеупорных материалов, является термостойкость, т.е. сопротивление воздействию термоудара и термоциклическим нагрузкам. Согласноэкспериментальным данным распределение керамики по термостойкостиимеет вид: BN > SiO2 >стеклокерамика> BeO > ситалл > Al2O3 > MgO.Предел прочности керамических материалов на изгиб зависит от температуры. Оксиды алюминия, бериллия, а также ситаллы имеют сравнительновысокие прочностные характеристики до температуры 1100 К, после чегопроисходит их резкое снижение. При температуре выше 1500 К удовлетворительную прочность имеют только нитриды бора и кремния.Температурный коэффициент линейного расширения влияет не толькона термостойкость, но и в значительной степени определяют напряженноесостояние соединения обтекатель–шпангоут.

По этому свойству материалырасполагаются в возрастающий по величине ряд (β, 10-6 град-1): Si02 (0,4 –0,7) < BN (0,5 – 2,8) < стеклокерамика (0,8 – 1,5) < ситалл ( 1,5 – 5,7) < Аl203(7,8) < ВеО (8,9) < МgО (13,4).Последовательность рассматриваемых материалов по коэффициентутеплопроводности λ в интервале температур от 300 до 1200 К в порядке возрастания имеет вид: SiO2 < стеклокерамика<ситалл < Al2O3 < MgO < BeO <BN.

В этом ряду выделяется нитрид бора, коэффициент теплопроводностикоторого сравним с коэффициентами теплопроводности металлов.В серийном производстве антенных обтекателей (АО) – изделий сложной формы и сравнительно крупных габаритных размеров – нашли применение лишь материалы на основе Al2O3 и SiO2 [1-5]. Керамика на основе другихматериалов из числа упомянутых выше не нашла применения в производстве13АО вследствие ряда трудностей, связанных с решением проблем технологического характера.Обтекатели из высокоглиноземистой керамики работают до температуры 700 К, из ситалла – до 1000 К, из кварцевой керамики и стеклокерамики –свыше 1300 К.Основные характеристики ряда керамических материалов, нашедшихприменение в производстве этих конструкций, приведены в таблице 1.1.Таблица 1.1Физико-механические характеристики керамических материалов АОХарактериКварцеваяСтеклоСиталл,Ситалл,пстикакерамика,керамикаУкраинаСША/РоссияРоссияпНИАСИТОТМ357АС 418Пирокерам31 ρ, кг/м19402500265028002 П, %7-120003 σизг, МПа35-110100-155100-14560-140-44 Е, 10 МПа2,7-5,56,99,512,3-7 -15 β, 10 К5,515-195,5-22,5366 λ, Вт/(м·К)0,5-1,51,6-2,1,8-2,13,57 ср, Дж/(кг·К) 630-1800800-15001050-1670 750-1260Температурные зависимости коэффициента теплопроводности этих материалов – параметра, прямо и косвенно характеризующего их специфические свойства приведены на рисунке 1.1.14Коэффициент теплопроводности,Вт/(м*К)2,42,11,81,51,20,92504005507008501000Температура ,КОТМ 357АС 418Пирокерам 9608Ниасит 8ППРисунок 1.1– Температурные зависимости коэффициента теплопроводностиКварцевую керамику по структурному строению характеризуют как пористый материал, имеющий воздушные поры в межзёренном пространстве.Их доля в объеме достигает 10-12 % а распределение не имеет векторнойориентации.