Диссертация (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок), страница 11

Условимся далее обозначать кера­мические слои индексом 1, а металлические — 2. Керамические слои являют­ся внешними для композитного материала и чередуются раз с металличе­скими в его объеме. При скачкообразном изменении температуры внешнейповерхности образца Δ возникают тепловые напряжения =Δ,(1 − )(2.13)где коэффициент Пуассона , модуль Юнга и КТЛР определяются со­гласно следующим выражениям: = 1 1 + 2 2 , = 1 1 + 2 2 ,1 1 1 + 2 2 2,=1 1 + 2 2( + 1)ℎ1 ℎ2, 2 =, = (ℎ1 + ℎ2 ) + ℎ1 .1 =Согласно теории возникновения трещин (по аналогии с [86]) можно сде­лать следующую энергетическую оценку.

Термоудар является критическимдля материала, когда энергия напряженно-деформированного состояния вслед­ствие температурного перепада превышает суммарно энергию зарождения трещин (первое слагаемое) и поверхностную энергию развития трещин докритической (нестабильной) длины (второе слагаемое):22 (1 − )(1 − )≥+ 2 ,(2.14)где — объем образца материала; — уровень напряжений, когда начинает­ся образование трещин; — удельная поверхностная энергия трещины.Воспользуемся следующим соотношением для определения удельной по­верхностной энергии трещины:21C, =2(2.15)73где 1C — коэффициент трещиностойкости материала.Кроме того, согласно соотношению Гриффитса для оценки длины неста­бильной трещины:(︂=1C)︂2(2.16),где — некоторый параметр, постоянный для рассматриваемого материала.Введем в соотношение (2.14) поправку, учитывающую слоистую структу­ру композита.

Она связана с дополнительным уровнем напряжений, возника­ющим из-за различных коэффициентов линейного расширения разнородныхматериалов смежных слоев:Δ ≡ 1 − 2 = (1 − 2 )Δ.(2.17)Очевидно, что при достаточной адгезии слоев на интерфейсах должно вы­полняться следующее соотношение, отражающее равенство сил:(2.18)( + 1)ℎ1 1 + ℎ2 2 = 0,где — напряжения в соответствующем слое. Воспользовавшись соотноше­нием между деформацией и напряжением =(1 − ),(2.19)получим следующее выражение для уровня напряжений во внешних керами­ческих слоях:1 =ΔΔ(1−1 )1+(1−2 )2·( +1)ℎ1 ℎ2.(2.20)Поправка состоит в увеличением термоупругих напряжений (2.13) в вы­ражении (2.14) на величину напряжений, определяемых соотношением (2.20).Таким образом, выражение (2.14) преобразуется к виду:√︁4 (1 − )4 (1 − )2 + IC{︂Δ ≥[︁]︁−1 }︂ ,(1−1 )(1−2 ) ( +1)ℎ1 + Δ 1 + 2 · ℎ2(2.21)74где = — некоторый параметр, характеризующий материал.Исходя из описанного выше критерия, была проведена оценка критиче­ского значения температурного перепада для СКМ на основе системы Al2 O3 −Cr,который составил Δ = 553 К.2.6.

Выводы к Главе 21. На основе градиентных теорий теплопроводности и термоупругостиразвита универсальная модель для прогнозирования теплофизических и тер­момеханических свойств СКМ, предназначенных для применения в условияхинтенсивных и резко меняющихся тепловых воздействий. Модель системати­чески учитывает температурные зависимости характеристик составляющихкомпонентов.2. Математически формализована и проведена процедура идентифика­ции параметров модели на основе экспериментальных данных теплофизиче­ских испытаний многослойных теплозащитных покрытий на основе системыZrO2 −Ni. Результатами идентификации стали значения параметров градиент­ной модели теплопроводности = 1,9 мкм, = 8,9·10−5 м2 · К/Вт.

Показано,что значение параметра градиентной модели термоупругости может бытьоценено параметром .3. Даны математические формулировки и предложены алгоритмы ре­шения задач конструкционной и функциональной оптимизации структурныхпараметров СКМ с целью достижения требуемого набора физико-механиче­ских характеристик конечного материала.

С использованием выработанныхкритериев прочности и трещиностойкости выявлен набор оптимальных струк­турных параметров слоистого композита конструкционного назначения на ос­нове системы Al2 O3 −Cr. Результатами оптимизации стали значения толщинкерамического и металлического слоев ℎ1 = 70 мкм и ℎ2 = 20 мкм соответ­ственно при числе пар слоев, равном 21.4. Проведено численное моделирование температурного распределения,75а также картины напряженно-деформированного состояния в структуре сло­истого композита Al2 O3 −Cr с оптимальными параметрами в условиях интен­сивного теплового воздействия.

Показано, что максимальные температурныедеформации в структуре материала не превышают предельно допустимогоуровня.5. Предложен способ аналитической оценки термостойкости СКМ. По­казано, что для композита, состоящего из 21 пары чередующихся слоев Al2 O3и Cr с толщинами 70 и 20 мкм соответственно, максимальный температурныйперепад, выдерживаемый материалом в отсутствие зарождения трещин, со­ставляет Δc = 553 К.Выявленные оптимальные значения структурных параметров компози­та будут использованы далее в Главе 3 при отработке технологического спо­соба его получения. Сопоставление результатов численного моделированиятеплофизических и термомеханических характеристик композита с экспери­ментальными данными и оценка погрешностей разработанных моделей будутпроведены в Главе 4.76Глава 3.

Методика получения наноструктурированного слоистогокомпозита оксид алюминия-хромВ данной главе описана методика получения наноструктурированногослоистого композита, состоящего из чередующихся керамических и металли­ческих слоев (оксида алюминия и хрома) с добавкой нанопорошка оксидаалюминия, на основе технологии шликерного пленочного литья.Работа проведена с использованием базы технологического и аналитиче­ского оборудования Центра коллективного пользования космической отрас­ли, расположенного в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша».При получении образцов СКМ были использованы структурные пара­метры, найденные посредством проведения процедуры оптимизации с при­влечением физико-математической модели, описанной в Главе 2.Основные изложенные в настоящей главе результаты отражены в рабо­тах [9, 10, 87].Автор выражает благодарность группе к.т.н.

А.А. Бармина, совместно скоторой были получены результаты синтеза и экспериментального исследова­ния структурных, теплофизических и термомеханических свойств опытныхобразцов СКМ.3.1. Аттестация и подготовка исходных порошковВ качестве исходных порошков, служащих для приготовления шликер­ных лент, были использованы: порошок оксида алюминия Al2 O3 (марки ВК-100:Al2 O3 — 99,63 %, Na2 O — 0,08 %, K2 O — 0,06 %, CaO — 0,02 %, Ba — 0,02 %, MgOи SiO2 — менее 0,05 %, содержание других элементов менее 0,02 %) с характер­ным размером гранул 1 ÷ 2 мкм, нанопорошок оксида алюминия Al2 O3 нано ,полученный методом плазмохимического синтеза [88], с характерным разме­ром гранул 20 ÷ 300 нм и порошок хрома с характерным размером гранул7730 ÷ 40 мкм. Следует ожидать, что введение наноструктурной добавки в ке­рамические слои будет способствовать повышению как механических свойствматериала, так и качества спекания.На Рис.

3.1 приведены изображения исходных порошков хрома и нано­размерного оксида алюминия, полученные с помощью растрового электронно­го микроскопа FEI Quanta 600 FEG с системой рентгеновского микроанализаEDAX Trident XM4.(а). Порошок хрома микронногоразмера(б ). Наноразмерный порошококсида алюминияРис. 3.1.РЭМ-изображения исходных порошков с обозначениями характерныхразмеров гранулПри приготовлении шликера критическим параметром является удель­ная площадь поверхности исходных порошков. Слишком большая поверх­ностная энергия может потребовать неприемлемого количества связующегокомпонента для получения шликера. Величина удельной площади поверхно­сти исходных порошков измерялась адсорбционным методом [89] на установ­ке Nova 1000e с последующей обработкой результатов многоточечным мето­дом БЭТ [90] и составила 9,2 м2 /г для порошка Al2 O3 микронного размера(ВК-100) и 15,1 м2 /г для нанопорошка Al2 O3 нано .

Эти данные свидетельству­ют о необходимости проведения дополнительной операции отжига нанопо­78Рис. 3.2.Результаты термического анализа нанопорошка оксида алюминия:температурная зависимость относительного изменения массы образца(ТГ-кривая) и мощности тепловых эффектов, сопровождающих процесснагрева (ДСК-кривая)рошка Al2 O3 нано для уменьшения удельной площади его поверхности. Подхо­дящая температура отжига определялась на основании данных термическогоанализа, проведенного по следующей схеме.Нанопорошок оксида алюминия нагревался с использованием термоана­лизатора Netzsch STA 449 F1 Jupiter QMS 403 Aeolos со скоростью 10 ℃/мин ватмосфере аргона до температуры 1 500 ℃. На Рис.

3.2 отражены полученныехарактеристики. Термогравиметрическая кривая (ТГ-кривая), отражающаяотносительное изменение массы образца с ростом температуры, показывает,что в интервале 200 ÷ 500 ℃ происходит заметное снижение массы образца,вызванное десорбцией азота, при дальнейшем же повышении температурыона практически не меняется. Эффекты выделения или поглощения теплотыматериалом образца, которые могут наблюдаться при изменении температу­ры, иллюстрирует кривая дифференциальной сканирующей калориметрии(ДСК-кривая), указывающая, в данном случае, на наличие фазовых перехо­дов при температурах в окрестностях 850, 1 200 и 1 350 ℃.79Следует обратить внимание, что при температурах выше 1 200 ℃ идутпроцессы с активным поглощением энергии, что свидетельствует о началеспекания нанопорошка оксида алюминия.Для определения оптимальных условий отжига было проведено четыресерии операций отжига нанопорошка с часовой выдержкой при температурах900 ℃, 1 000 ℃, 1 100 ℃ и 1 200 ℃ в воздушной печи.

Результаты измеренийудельной площади поверхности нанопорошка после термической обработкиприведены в Таблице 9.Удельная площадь поверхности нанопорошка Al2 O3Образец Al2 O3 нанодо отжигаотжиг 900 ℃ (1 час)отжиг 1 000 ℃ (1 час)отжиг 1 100 ℃ (1 час)отжиг 1 200 ℃ (1,5 часа)Таблица 9.наноуд. пов. , м2 /г15,1413,4614,4611,7211,40Таким образом, отжиг при температуре 1 200 ℃ позволяет получить ми­нимальное значение удельной площади поверхности с сохранением нанострук­туры порошка.3.2. Технологическая цепочка получения СКМПоследовательность операций получения многослойных наноструктури­рованных металл-керамических композитов представлена на Рис. 3.3. Дляполучения шликера необходимой консистенции для литья пленок использова­лось в среднем 35 % связующих компонентов (связующее вещество — поливи­нилбутираль, растворитель — трихлорэтилен) и 65 % твердой фазы (микрон­ный порошок хрома — для шликера с металлической фазой или смесь мик­ронного и нанопорошка оксида алюминия в соотношении 9 : 1 по массе — дляшликера с керамической фазой).