Автореферат (1137328), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На внешних поверхностях ставятсяследующие граничные условия:(︀)︀(︀)︀1 (1 ) 1′ − 12 1′′′ + 1 (1 ) 1 (1 )12 1′′ − 1 (1 )Δ1 = 0,(︀)︀(︀)︀ ( ) ′ − 2 ′′′ + ( ) ( )2 ′′ − ( )Δ = 0,1 (1 )12 (1′′ − 1 (1 )Δ1′ ) = 0, ( )2 (′′ − 1 ( )Δ′ ) = 0.Значения поперечных напряжений определяются по закону Гука для градиентной модели: () = ( )′ ()− ( ) ( )Δ (). Вследствие учета градиентных эффектов модель предсказывает возникновение неоднородного распределения деформаций: в области высокой изменяемости температурного полявозникает концентрация деформаций и напряжений.
Этот эффект принципиально не возникает в классическом решении.Идентификация параметров x = (, ) градиентной модели теплопроводности проводилась на основе экспериментальных данных теплофизических испытаний многослойных металл-керамических теплозащитных покрытий (ТЗП)двух типов (I и II) (Таблица 1). Целью эксперимента являлось определениеэффективного коэффициента теплопроводности покрытия.
Решалась нелинейная оптимизационная задача поиска минимума объектной функции (x) =−7|eff (, ) − exp÷ 10−5 м,eff | на интервалах изменения параметров = 10 = 10−6 ÷ 10−4 м2 К/Вт. Здесь функция eff (, ) = /Δ · (, ) представляет эффективный коэффициент теплопроводности слоистой структуры,выраженный в рамках градиентной модели через обобщенный тепловой поток (, ). Величина expeff представляет собой экспериментально определенноезначение эффективного коэффициента теплопроводности. Результаты идентификации параметров модели также приводятся в Таблице 1.Разработка СКМ, сочетающего в себе как конструкционные, так и функциональные (теплоизолирующие) свойства, приводит к постановке двух различных оптимизационных задач для структуры проектируемого материала.1) «Конструкционная» оптимизация структуры СКМ, нацеленная на обеспечение минимальных значений деформаций (x) = max (cer ) при условии ограничения максимально допустимого значения эффективного коэффициента теплопроводности материала (x) ≡ eff − criteff ≤ 0.
Исходим из предположения о начале разрушения в слое керамики, т. к. металлические слои обладаютбольшей пластичностью. 2) «Функциональная» оптимизация структуры ТЗП,8Таблица 1.Структурные характеристики и параметры теплофизических испытаниймногослойных ТЗП. Результаты идентификации параметров моделиТип ТЗПОбщее количество чередующихся слоевОбщая толщина покрытия, мкмТолщина слоев ZrO2 + 8 Y2 O3 , мкмТолщина слоев Ni, мкмПерепад температур на покрытии, КЭффективная теплопроводность покрытия, Вт/(м · К)Градиентный параметр , мкмАдгезионный параметр , ×10−5 м2 · К/ВтI11123,817,341 500 ÷ 1 2801,11,08,9II59820191 590 ÷ 1 4901,82,88,9направленная на поиск минимума эффективного коэффициента теплопроводности (x) = eff , с условием ограничения максимально допустимого уровнядеформаций в слоях керамики (x) ≡ max (cer ) − critcer ≤ 0.
Вектор оптимизационных параметров представлен структурными характеристиками (толщинами и количеством слоев) композита x = (, ℎ ), = 1, . Область допустимоговарьирования параметров естественным образом задана технологическими возможностями оборудования для получения СКМ. Результатами конструкционной оптимизации СКМ стали значения толщин керамического и металлического слоев ℎ1 = 70 мкм и ℎ2 = 20 мкм соответственно при числе пар слоев, равном21.Оценка термостойкости материала проводилась по предельному температурному градиенту, который способен выдержать материал в отсутствие зарождения трещин. Термоудар является критическим для материала, когда энергиянапряженно-деформированного состояния вследствие температурного перепада, а также различия коэффициентов теплового линейного расширения материалов слоев превышает суммарно энергию зарождения трещин и поверхностнуюэнергию развития трещин до критической длины.
Исходя из этого, выработанследующий формальный критерий оценки термостойкости СКМ:√︁4 (1 − )4 (1 − )2 + IC{︂Δc ≥[︁]︁−1 }︂ ,(1−1 )(1−2 ) ( +1)ℎ1 + Δ 1 + 2 · ℎ2где — параметр, характеризующий материал, — уровень напряжений, прикотором начинается образование трещин; IC — коэффициент трещиностойкости материала; коэффициент Пуассона , модуль Юнга и коэффициент теплового линейного расширения определяются в соответствии с градиентноймоделью; = ⌊/2⌋; индексы 1 и 2 соответствуют керамическому и металлическому слоям соотвественно; Δ ≡ 1 −2 .
Результатом аналитической оценкитермостойкости СКМ с оптимальной структурой стало Δc = 553 К.В третьей главе описана методика получения наноструктурированногоСКМ на основе металл-керамической системы Al2 O3 −Cr с добавкой нанопорош9ка Al2 O3 нано посредством шликерного пленочного литья [2].В качестве исходных порошков, служащих для приготовления шликерных лент, были использованы: порошок оксида алюминия Al2 O3 марки ВК-100с характерным размером гранул 1 ÷ 2 мкм, нанопорошок оксида алюминияAl2 O3 нано , полученный методом плазмохимического синтеза (20 ÷ 300 нм) и порошок хрома (30 ÷ 40 мкм).
Составы шликеров приведены в Таблице 2.Таблица 2.Составы шликеров, использованных при пленочном литьеКомпонентВК-100Al2 O3 наноCrСинтанолТрихлорэтиленЭтиловый спиртРастворполивинилбутираляДибутилфталатНазначениеCr-шликер, масс.%Матрица—Добавка—Матрица64,86Дефлокулянт0,115Растворитель21,78Растворитель2,66Связующее вещество5,76Пластификатор4,825Al2 O3 -шликер, масс.%52,15,8—0,1426,093,196,95,78Пленки наносились на майларовую ленту с использованием установки пленочного литья KEKO CAM-L252TB при температуре 60 ℃ в зоне подогрева.Ширина пленок составляла 100 мм, толщина — 0,15 мм.
После высыхания пленки снимались с майларовой ленты, собирались в пакет из чередующихся керамических (ВК-100+Al2 O3 нано ) и металлических (Cr) слоев и прессовались на одноосном ручном прессе Mecamaq DE-100. Для прессования заготовок задавалосьгидростатическое давление на шток пресса 1 100 бар. Прессованные заготовкив соответствии с режимом (Рис. 1), выбранным на основе результатов термогравиметрического анализа, подвергались удалению органического связующегона установке для удаления пластификатора ВакЭТО ВМС-22-10,5 в условияхдинамического вакуума. Дальнейшее спекание заготовок происходило в высокотемпературной вакуумной печи СШВЭ-1.2,5/25-И3 в автоматическом режиме.
Параметры цикла консолидации (Рис. 2) основаны на собственных данныхпредварительных испытаний.Процедура аттестации структурных характеристик образцов полученногокомпозита (Рис. 3) включала: 1) исследование микроструктуры и элементногосостава шлифа поперечного сечения материала средствами растровой электронной микроскопии с интегрированной системой рентгеновского энергодисперсионного микроанализа; 2) исследование фазового состава материала методамирентгеноструктурного анализа и комбинационного рассеяния света. Полученные результаты свидетельствуют о достижении высокой степени консолидациикерамики, высокого показателя газоплотности материала, хорошего адгезионного сцепления между слоями и об отсутствии дефектов и посторонних включений.В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований механических и теплофизических характеристик опытных образцов10Рис.
1.Температурный режим удаленияорганического связующегоРис. 2.Температурный цикл спеканияслоистой заготовкиРис. 3.Образец СКМ Al2 O3 −CrСКМ, проводится их сопоставление с результатами численного моделирования(верификация разработанной модели), анализ погрешностей и границ применимости модели.Механические испытания образцов композита проводились при температурах 25 и 900 ℃ по схеме трехточечного изгиба. Значения предела прочностипри изгибе составили 208,1 МПа и 159,5 МПа соответственно. Результаты свидетельствуют об умеренной (на уровне 24 %) деградации прочностных свойств.
НаРис. 4 приведено РЭМ-изображение микроструктуры поперечного сечения образца композита после испытаний. Видно, что трещина претерпевает ветвлениеи боковое смещение. Излом распространяется вдоль поверхностей межслоевыхинтерфейсов, скачкообразно пересекая слои в поперечном направлении. Ключевую роль в повышении конструкционных характеристик композита сыгралидва фактора: 1) увеличенная площадь поверхности разрыва за счет наличиядополнительных участков, лежащих вдоль границ сопряжения слоев; 2) пластичность металлических слоев, обеспечивающая большую вязкость характераразрушения образца композита (Рис. 5).Экспериментальное исследование температурной зависимости коэффициента температуропроводности СКМ осуществлялось методом лазерной вспышки и показало совпадение с расчетной зависимостью, полученной с использованием градиентной модели, на уровне 20 % и менее во всем температурномдиапазоне измерений 25 ÷ 1 100 ℃ (Рис.
6).Методика определения термостойкости СКМ состояла в индентированииповерхности образцов материала алмазной пирамидкой Виккерса под нагрузкой200 Н, которое обеспечивало зарождение трещин в структуре материала, и даль11Рис. 4.Распространение трещины вструктуре образца СКМРис. 6.Температурные зависимостиэффективного коэффициентатемпературопроводности СКМРис. 5.Иллюстрация вязкогохарактера разрушенияметаллических слоев СКМРис. 7.Зависимость относительногоудлинения трещины оттемпературного перепаданейшем нагреве образцов до заданных температур (в интервале 300 ÷ 1 100 ℃с шагом 50 ℃) в муфельной печи с последующим резким охлаждением в проточной воде.
Критическим значением температурного перепада Δc считалосьмаксимальное значение Δ , предшествующее резкому возрастанию длины трещины, которое составило ∼ 600 ℃ (Рис. 7). Сопоставление аналитической оценки Δc с экспериментальными данными дало совпадение на уровне 10 %.В пятой главе предложена конструктивная схема трубопровода для транспортировки высокотемпературного (1 500 К) газообразного теплоносителя наборту космического аппарата с заданным ограничением уровня энергетическихпотерь (не более 10 кВт/м2 ). Трубопровод состоит из несущей трубы, выполненной на основе СКМ, и ее наружной экранно-вакуумной теплоизоляционной12оболочки (ЭВТИ). Развита физико-математическая модель, описывающая распространение теплового потока через ЭВТИ и позволяющая определить ее основные теплофизические характеристики [1]; проведено численное параметрическое моделирование трубопровода с ЭВТИ, позволившее получить зависимости теплового потока с наружной поверхности и эффективного коэффициентатеплопроводности от количества экранов в слое изоляции при различных давлениях остаточного газа, а также распределение температуры по экранам ЭВТИ.Рассмотрим ЭВТИ, состоящую из молибденовых экранов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
