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

Результаты, изложенныев диссертационной работе, могут быть использованы при проектировании и раз­работке деталей, узлов и агрегатов энергетических и двигательных установокс повышенными функциональными и эксплуатационными показателями, 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 технологического циклаполучения СКМ металл-керамической системы Al2 O3 −Cr, допускающего раз­мерное масштабирование и позволяющего получать конечные изделия сложнойгеометрической формы.На защиту выносятся следующие положения.1. Физико-математическая модель и программный комплекс для расчетакартины температурного распределения и напряженно-деформированного со­стояния СКМ в условиях интенсивного теплового воздействия, а также методи­ка проведения процедуры идентификации параметров модели на основе массиваэкспериментальных 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 такжерезультаты 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 составе современ­ных энергетических и двигательных установок.Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы до­кладывались на следующих конференциях:– ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов имолодых 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.).4Материалы диссертации были включены в отчетные материалы по государ­ственным контрактам с Роскосмосом: СЧ НИР «Магистраль» (Нано) в частисоздания 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, 5 статей в сборниках трудовконференций, 4 тезиса докладов.Личный вклад автора. Общая постановка задачи проектирования СКМвыполнена д.ф.-м.н. Бондаренко Г.Г.

Детализация задачи в части ориентациина применение в составе узлов энергетических и двигательных установок косми­ческого назначения в условиях интенсивных тепловых воздействий проведенак.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.Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения,5 глав, основных выводов, библиографии. Общий объем диссертации составляет137 страниц, из них 123 страницы текста, включая 49 рисунков, 16 таблиц.Библиография включает 106 наименований на 14 страницах.Содержание работыВо Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сфор­мулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показанапрактическая значимость полученных результатов, представлены выносимыена защиту научные положения.В первой главе проводится обзор и систематизация наиболее значимыхрезультатов в сфере физики конденсированного состояния, достигнутых отече­ственными и зарубежными специалистами, в том числе и в области разработ­ки и создания высокотемпературных СКМ с заданными конструкционными ифункциональными свойствами.

Формируются требования к конечным харак­теристикам разрабатываемого материала: рабочая температура — 1 500 К, пре­дел прочности при изгибе при 1 500 К — не ниже 150 МПа, плотность — не выше4,8 · 103 кг/м3 , трещиностойкость — не ниже 5 МПа · м1/2 , теплопроводность —не более 25 Вт/(м · К), термостойкость — не менее 450 К. Приводятся литератур­ные данные о механизмах и особенностях физико-химического взаимодействияразличных металл-керамических систем при разных внешних условиях. Приво­дятся сведения о влиянии структурных параметров на конечные свойства мате­риала. Проводится сравнение существующих способов технологического получе­ния композитов, а также сравнительный анализ различных физико-математиче­ских моделей, позволяющих описывать теплофизические и термомеханическиепроцессы в слоистых структурах и прогнозировать их свойства.5В соответствии с выработанными рекомендациями обосновывается выборметалл-керамической системы Al2 O3 −Cr, характеризующейся малой разницейкоэффициента теплового линейного расширения (КТЛР) и хорошей физико­химической совместимостью составляющих компонентов, достаточной стойко­стью к окислению и способностью сохранять свои эксплуатационные показа­тели в рабочем температурном диапазоне.

Подтверждается целесообразностьвыбора слоистой структуры композита, обеспечивающей материалу бо́льшуютрещиностойкость, пластичность, конструкционную прочность и стойкость ктемпературным перепадам. Ставятся ограничения на допустимые пределы из­менения структурных параметров композита: толщины слоев не должны пре­вышать 100 мкм, а количество слоев должно составлять не менее 4.Приводится аргументация выбора метода шликерного пленочного литья,отличающегося высокой степенью универсальности в части создания изделийразличных размеров и сложных геометрических форм, хорошей воспроизводи­мостью результатов, контролируемостью структурных параметров, относитель­ной простотой технической реализации и высокой производительностью.Обосновывается выбор физико-математической модели, использующей гра­диентный подход к описанию температурных полей и картины напряженно­деформированного состояния.

Достоинством градиентных подходов являетсяих универсальность, они позволяют расширить применимость классических ре­зультатов на включения с очень большой удельной поверхностью, что имеетместо для наноструктурированных тонкослойных материалов и покрытий.Во второй главе разрабатывается модель, позволяющая описывать тем­пературное распределение и картину напряженно-деформированного состоянияслоистой структуры, формализуется и проводится процедура идентификациимасштабных параметров модели на основе массива экспериментальных данных,формулируются критерии оценки прочности и термостойкости СКМ, формули­руется и решается математическая задача оптимизации структурных парамет­ров СКМ с целью достижения требуемого набора физико-механических свойствс учетом ограничений, накладываемых на значения функциональных характе­ристик конечного материала.Для уточненного анализа термомеханического состояния слоистых струк­тур в основу модели положены неклассические теории механики композитныхматериалов — градиентные модели теплопроводности и термоупругости, кото­рые описывают локализованные около границ раздела фаз (компонент компо­зита) поля температур и напряжений, характеризуемые масштабными парамет­рами, имеющими смысл протяженности этих локальных взаимодействий.

Гра­диентные теории, с одной стороны, обеспечивают бо́льшую гладкость сопряже­ния на границах контакта фаз, с другой стороны, градиентные эффекты могутбыть существенными при уточнении полей температур и напряжений в состав­ных слоистых системах, что важно для оценки прочности таких систем, дляобъяснения экспериментально обнаруженных особенностей их разрушения.При описании температуронагруженных СКМ принципиальным является6систематический учет температурных зависимостей теплофизических коэффи­циентов составляющих компонентов материала. Исходя из этого, автором былапроведена соответствующая адаптация градиентных теорий.Для -ого слоя образца -слойного композита общее решение уравненияградиентной теплопроводности имеет вид: () = 1, 2 (−, )/ + 2, 2 −(−, )/ + 3, ( − , ) + 4, ,где , — координата левого края -ого слоя, , , = 1, 4 — постоянные интегри­рования, которые определяются при решении системы уравнений из граничныхи краевых условий, а — масштабный параметр модели, определяющий протя­женность локальных градиентных эффектов, которые реализуются в даннойсреде в области границ раздела.Краевые условия на внутренних поверхностях контакта слоев (,+1 , =1, − 1) имеют вид:+1[ ]+1≡ +1 (,+1 ) − (,+1 ) = 0, [ ′ ] = 0,[︀(︀)︀]︀+1[︀]︀+1( ) ′ − 2 ′′′ = 0,( )2 ′′ = ′ ,где ( ) — коэффициент теплопроводности слоя, а параметр является ха­рактеристикой теплопроводности межслоевого интерфейса.

На внешних поверх­ностях ставятся следующие граничные условия:1 (1 )12 1′′ (0) = 0,1 (0) = 1 , () = 2 , ( )2 ′′ () = 0,где — суммарная толщина пакета слоев композитной структуры.Для определения деформаций и напряжений в поперечном сечении образ­ца многослойного композитного материала необходимо сначала найти распреде­ление температуры по толщине исследуемой структуры в рамках градиентноймодели теплопроводности. Общее решение уравнения равновесия с учетом тем­пературного воздействия представляется следующим выражением: () = ( )3(︁1−1− ( ) ( )22·22)︁(︁)︁(−, )/−(−, )/1, − 2, +)︁ ( )1 (︁12(−, )/−(−, )/3, ( − , ) + 2 1, + 2, ++ ( )2 ( )+ 3, ( − , ) + 4, ,где , , = 1, 4 — постоянные интегрирования, которые определяются прирешении соответствующей системы уравнений из граничных и краевых усло­вий, ( ) — модуль упругости (модуль Юнга) слоя вдоль оси , ( ) — мо­дуль объемного сжатия, = () — перемещение точек в направлении оси ,7 ( ) — коэффициент теплового линейного расширения материала слоя, —масштабный градиентный параметр модели.Краевые условия на внутренних поверхностях контакта слоев (,+1 , =1, − 1) для градиентной модели термоупругости имеют вид:[︀(︀ ′)︀(︀)︀]︀+12 ′′′2 ′′[]+1=0,()−+()()−()Δ= 0,[︀]︀+1+1[′ ] = 0,( ) 2 (′′ − ( )Δ ′ ) = 0,где Δ — изменение температуры -го слоя.