Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. - Кварцевая керамика (1049256), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Кварцевая керамика по термостойкоспи является уникальным материалом. Ее термостойкость лрейышает , являющегося в даже термостойкость кварцевого стекла, этом отношении эталоном. Если термостойкость квар- цевого стекла составляет 800 — 1000'С по ГОСТ 11103 — 64, вооб то термостойкость кварцевой керамики ~по этому м ще определить не удается из-за отсутствия разру етоду щения даже при оплавлении. вня разруТермостойкость не является обычным свойством ма- териала, как например, теплоемкость или коэффи термическою а и коэффициент расширения, а является комплексной ха- рактеристикой материала и конструкции.
Теорстич с тепловых напряжений для стационарных и нестический стационарных температурных полей показал, что термо- стойкость тем л чше чем ниже коэ и цент — аа-а оные кого асши ения, модуль п го т е выше шеппщвлияют форма и размер изделия, состояние поверхности и условия теплообмена в условиях эксплуатаци~н или испытаний. Ч ез амики, как в резвычайно высокая термостойкость квар й цево кер, как и кварцевого стекла, обусловлена ее низким ивине коэффициентом теплового расширения, являющим щимся по ф ской сущности первопричиной тепловых напр ний. ряже- В табл. 16 п н 6 приведены для сравнения расчетные значе- Т а б л н ц а 1б.
Расчетные крнтервв термостойкоств матервалов Матер пап прн температуре, 'С прн температуре, С яия первого и второго критериев гермостойкости для основных видов окисной керамики 1203~. В отличие от монолитного кварцевою стекла кварцевая керамика состоит из отдельных зерен, сцепление которых друг с другом можно регулировать степенью спекания, получая как жесткий прочно спаянный каркас зерен, так и слабо связанные друг с другом зерна. Наличие зернистого строения и цор ограничивает распространение случайных трещин и способствует их локализации, Поэтому термостойкость кварцевой керамики больше термостойкости кварцевого стекла и изменяется в зависимости от пористостн и степени сиекания.
Экспериментально термосгойкость кварцевой керамики была исследована совместно с В. Г. Веревкой. Метод определения термостойкости путем сбрасывания нагретого образца в воду оказался неприемлемым, так как образец не удавалось разрушить, Поэтому были разработаны специальные методики, позволяющие провести испытанйя при воздействии высокоинтенспвных потоков, Одна пз методик заключается в облучении исследуемого образца кварцевой керамики в фокусе концентратора лучистой энергия, состоящего из двух параболических зеркал диаметром 900 мм, установленных соосно н навстречу друг другу 11971.
В фокусе одного из ннх горит угольная дуга мощностью 18 кВт, а в фокусе другого помещается образец. Пластннчатые жалюзи, установленные между зеркаламн,,позволяют частично илн полностью закрыть поток лучистой энергии, направляемой на образец Термостой- щб 'чз 000 600 Рнс Пу Измоненне темпеРатуры образна в процессе непрева: 1 — вблизи повертностн; 7— в ценцре образца 00 10 12 0 4 0 4 Ю Райилг пял)на, мм 12 10 20 10 00 г,с 217 кость )исследована на образцах в виде квадратных пла-' стин со стороной 60 и толщиной !О мм. Пористость об.
разцов изменялась от 5 до 14 676. Распределение мощности теплового излучения по радиусу облучаемюго пятна при ~разныр( расстояниях от фокальной плоскости дано на рис. 116. Максимальный Рнс. 116. Раопределанне облученностн в рабочем пнтле прн раополо- мемнм облучаыем» объекта в Фокусе (1) м выведенмн его нз фокуса на б ыы (7), Ю мм (3) н 26 зма (а) тепловой поток в центре фокалвной плоскости составляет 8 106 ккал((ч мз). В процессе испытаний на заранее установленный в фокусе образец кварцевой керамики, имеющий комнатную температуру, направлялся тепловой поток от дуги излучателя. Сам образец воспринимал тепловой поток в (3 — 6) 10' икал/(ч мз), так как степень его черноты была, равна 0,4 — 0,7 в зависимости от пористости и наличия легирующих добавок.
Ни одного образца из кварцевой керамики разрушить при таком термоударе не удалось, в то время как образцы из ситаллов ТА-217 и АС-370, чистой окиси алюминия и высокоглиноземистой керамики ГБ-7 разрушились соответственно через 10; 42; 23,5 и 5! с. Максимальный тепловой поток для всех образцов составлял 0,8 10' ккал((ч мз). Чтобы исключить влияние степени черноты образцов, на их облучаемую поверхность нагосили покрытие (из дисилицида молибдена, Когда образцы кварцевой керамики помещали строго ;в фокальную плоскость, то примерно через 30 с после начала облучения наблюдали оплавлеиие и интенсивную сублимацию материала.
Расплавленный материал не стекает, а сразу сублимирует. Выше края кратера образуется налет в виде белого порошка. К моменту начала плавления и сублимации температура в центре противоположной стороны не превьяпала 150 — 200'С, а на перифериин — 70 — 100'С. Термостойкость кварцевой керамики была также исследована путем сбрасывания образцов в расплавленный алюминий ил~и баббит марки Б-83.
Образцы состояли из двух пластин толщиной 10— 14 мм каждая. Размер сторон колебался от 60 до 140 мм. При испытаниях пластины склеивались по всей плоскости соприкосновения, или по ыромке на 15 — 30 мм от торцов. Это позволяло изменять напряженное состояние пластин на внутренней поверхности.
Склеивание осуществлялось клеями, в частности ВК-13 или высокотемпературными цементами типа ВЦ-1. В качестве расплава первоначально был использован алюминий. Его температура повышалась от опыта к опыту с 1200 до 1740'С. Начальная температура об~разцов соответствовала комнатной. Время выдержки образцов в расплаве изменялось от 13 ~до 70 с. На рвс.
117 показаны экспериментальные кривые изменения температуры образца на расстоянии 0,5 и 9 мм от наружной поверхности, Первоначальная тем)пература расплава 1680'С. Образец был склеен из двух пластин с пористостью 11,36)б и толщиной по 10 мм. Максимальный перепад достигал 900'С на 8,5 мм толщины, 1 Кривые рис. 1!7 одновременно характеризуют также ! отличные теплонзоляциоиные свойства кварцевой кера- ' мики. Нн один из испытывавшихся образцов не разрушился, На нх поверхности наблюдалась точечная кристаллизация, поверхностные слои после выдержки в яюп й~4!кур аь 3!ХЮ Щ 29ЗО Р, 15!Ю иЮ Ю зр 55 1м ура лю 5 а /2, ккар/(о ы. '5) рмс. Пй.
устойчивость керам|ыеских матеряалов к терыоумару: о — толщмиа плаоыиы; й — коаффвияеит теплообмеяа с охррыающей средой: ! — мвврдсвея керамика; 2— Шаны Р-рейкерам !И; е-ВХ !горячепрессовавиыйу: 5- пярокераы М!я! П -Все; 1- А!ьеа расплаве остекловывались. На внутренней новерхности и с торцов при температурах расплава выйпе 1600оС появлялись сетки мелких поверхноспнык трещин.
Сквозных трещин не было. Подогрев образцов, перед окунанием в расплав алюминия до 300 — 400'С, чтобы исключить появление на нх поверхности корми застывшего алюминия, снижающей теплоотдачу, также не приводил к разрушению. Увеличение толщины каждой из двух пластин до 20 мм только увеличивало остекл звывание на поверхности. Разрушения образцов не наблюдалось при выдержках до 70 с. Большие выдержки вызывали локальную поверхностную иристаллизацию и сколы в этих местах.
Только применение в качестве расплава баббита, дающего повышенный коэффициент теплоотдачи, |и предварительного !подогрева образцов до 160 — !80'С позволило получить полное разрушение образцов высоко- плотной кварцевой керамики с закрытой пор|истостью 2И !в несколько процентов, Образцы имели матовый вид непрозрачного кварцевого стекла. Температура баббита в этом случае достигала 1660'С. Потрескивание, было слыпйно как при погружении в ванну, так ~н при охлаждении.
Время до полного разрушения 13 с. Образцы кварцевой керамики с пористостью выше 106!2 довести .до разрушения не удалось независимо от их толщины, времени выдержки и температуры расплава. Таким образом, из результатов экспериментального исследования термостойкости по двум вышеописанным методам следует, что кварцевая керамика с пористостью выше 10676 не разрушаетоя от тепловых напряжений, независимо от величины перепада температуры по толщине образцов.
Такая высокая термостойкость, помимо низких значений коэффициента теплового расширения и модуля упругости объясняется также и тем, что уже при температурах выше 1100'С имеет место релаксация возникающих тепловых напряжений за счет пластической деформации нагретых слоев материала. Перепады же температур до 1100оС кварцевая керамика выдерживает за счет низких зйаченнй коэффициента теплового раошире!рия и модуля упругости. В работе [161 описан эксперимент, в котором ~на цилиндрические образцы из кварцевой керамики днаметром 1,27 см направлялась струя кислородноводородного двигателя; Скорость струи в 2,6 раза превышала скорость звука, а тепловой поток на торце образца достигал 11,7 !06 икал/(ч.мп).
При таких условиях эксперимента нагреваемый торец образца сразу плавился, и происходила абляция материала. Разрушения за счет тепловых напряжений также !не наблюдалось, хотя противоположная сторона стержня имела комнатную темпера руру, На рис. 118 дано сравнение устойчивости к термоудару кварцевой керамики и других радиопрозрачиых материалов, !пригодных для антенных обтекателей летательных аппаратов 136), На оси ординат даны величины-максимального перепада температур, который может выдержать материал без разрушення в зависимости от интенсивности теплообмена с окружающей атмосферой, характеризуемого !произведением коэффициента теплоцбмена на толщину стенки обтекателя.
Данные 2!9 я случая одностороннего нагрева, расчетные ойств материалов взяты при комнатной температуре. За предельное значение принимался перепад температур между оредой и образцом, при котором тепловые на~пряжения в матер~нале достигали его прочности при ~растяжении. На рнс, 118 особо отмечены значения, ооответствующие условиям аэродинамического нагрева при скоростях полета 3; 5 и 1ОМ и толщннах стенки в 6,35 и 12,7 мм.
Перепады температур, выдерживаемые кварцевой керамикой, перекрывают весь диапазон температур: от комнатной до ~полного расплавления материала независимо от интенсивности теплообмена с окружающей средой. Поэтому разрушен~из кварцевой керамики в режиме однократного термоудара невозможно, независима от толщины образца н ннтенсиннастн теплового ~потока на его поверхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
