автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Гибкие высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе муллитокорундовых волокон

На правах рукописи

Бабашов Владимир Георгиевич

Гибкие высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе муллитокорундовых волокон

Специальность 05.16.09 «Материаловедение (Машиностроение)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

8 АПР 2015

005567156

Ь АПР 2015

Москва 2015 год

005567156

Работа выполнена в федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» ГНЦ Российской Федерации (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

главный научный сотрудник ФГУП «ВИАМ» Щетанов Борис Владимирович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Физика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский авиационный институт» Черепанов Валерий Вениаминович;

кандидат технических наук, заместитель генерального директора по аэрокосмическим двигателям федерального государственного унитарного предприятия «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова»

Прохоров Александр Николаевич.

Ведущая организация: ОАО «ОНПП «Технология»

Защита состоится «

2015 года в /<£ часов на заседании диссертационного совета Д 403.001.01 при ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 17. Тел (499) 267-86-09; e-mail: admin@viam.ru: Internet: www.viam.ru

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 17, ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВИАМ».

Автореферат разослан «

¿V

» (УЗ_201f

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Шишимиров М.В.

© Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ), 2015

© Бабашов В.Г., 2015

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Тенденция повышения скоростей в современной гиперзвуковой авиации и авиакосмической технике требует разработки и использования материалов и способов их получения, обеспечивающих длительную работоспособность агрегатов при движении и маневрировании в атмосфере со скоростями, значительно превышающими скорость звука. При этом нагрев внешнего корпуса аппарата будет превышать температуру 1500 °С, одним из способов защиты JIA является применение теплоизоляционных и теплозащитных материалов, в том числе и волокнистых, с рабочей температурой 1500 °С и выше или конструкционных систем теплоизоляции с их использованием.

Анализ научных трудов, охранных документов, сайтов организаций по свойствам, технологии и поведению теплозащитных и теплоизоляционных материалов свидетельствует о значительном объеме знаний, накопленных в данной области.

В работах С.М. Каца, A.C. Власова, Ю.П. Горлова, К.К. Стрелова, И.Д. Кащеева и других ученых были описаны строение, методы расчетов физико-химических и теплофизических свойств теплоизоляционных материалов из минеральных и стеклянных волокон.

В работах Ю.В. Полежаева, Ф.Б. Юревича, В.П. Тимошенко, Н.М. Иванова, Дж. Мартина и др. подробно описано применение материалов, в том числе и волокнистых, в качестве теплозащиты летательных аппаратов.

Технологии изготовления теплоизоляционных материалов из тугоплавких волокон широко представлены в патентах ведущих мировых производителей.

При выполнении работы использовались научные идеи, содержащиеся в трудах отечественных и зарубежных ученых: Г.Е. Лозино-Лозинского, В.Н. Грибкова, Б.В. Щетанова, И.В. Романовича, П.В. Просунцова, В.В. Ляпина, Э.Л. Уманцева, A.B. Кондратенко, В. Кренкеля, Ч.В. Ньюквиста и др.

Гибкие теплозащитные материалы были применены в конструкции планера МКК "Буран". В настоящее время есть сведения о использовании гибкой теплоизоляции в конструкционной теплозащите опытных высокоскоростных ЛА типа Х-55, Falcon (США) и др. Существуют патенты (Boing, McDuglas и др.), предлагающие различные конструкции элементов теплозащиты с применением волокнистых гибких высокотемпературных материалов не только для ВЛА, но и для перспективных многоразовых космических кораблей.

Значительным преимуществом гибких волокнистых теплоизоляционных материалов является то, что они обладают низким удельным весом (80-300 кг/м3) и низкой теплопроводностью и могут быть использованы для облицовки поверхностей сложной формы.

Кроме применения в специальных областях, разработка волокнистых высокотемпературных материалов имеет существенное значение для других областей промышленности. Применение волокнистых высокотемпературных материалов внесло существенные изменения в изготовление

высокотемпературного термического оборудования: удалось добиться экономии энергоносителей до 40% (в печах периодического действия) и до 25% (в печах непрерывного действия), снижения габаритов печей за счет уменьшения толщины кладки и снижения массы футеровки печи до 10 раз, сокращения сроков выхода на режим до 1,5 - 2 часов, увеличения числа теплосмен до 1000-2000, снижения трудоемкости монтажа футеровки в несколько раз. Футеровка печей гибкими волокнистыми материалами в виде матов и одеял позволит упростить процесс изготовления печей, сократить время на ремонт и техническое обслуживание.

За рубежом гибкую высокотемпературную теплоизоляцию из волокна на основе оксида алюминия разрабатывают и предлагают на мировом рынке компании «ZIRCAR», ЗМ, Unifrax (США), Saffil Ltd, ICI (Великобритания) и др., часть из них в настоящее время предпринимает шаги по внедрению своих материалов на российский рынок в области промышленности стройматериалов, металлургической промышленности.

Отечественная промышленность в широких масштабах производит и поставляет материалы, изготовленные на основе стеклянных, кварцевых и минеральных (базальтовых, муллитокремнеземных) волокон, применяемых только до рабочей температуры 1450 °С.

Интересы отечественной авиакосмической промышленности и вопросы импортозамещения делают актуальной разработку волокнистых высокотемпературных гибких материалов с рабочей температурой 1700 "С. Для решения этой задачи и была поставлена данная работа.

Цель работы. Целью работы является создание гибких волокнистых материалов с температурой эксплуатации 1700 °С и низкой плотностью для авиационной и ракетно-космической техники.

Задачи исследования. Для достижения цели работы были решены следующие основные задачи:

— проведен анализ существующих способов получения волокнистой теплоизоляции и оценена возможность их использования для технологии изготовления гибких высокотемпературных материалов на основе тугоплавких оксидных волокон;

— исследованы процессы формирования гибкого материала, включая следующие основные этапы:

• получение гомогенного материала из водной пульпы волокон муллитокорундового состава при использовании различных способов гомогенизации;

• возможность использования органических и неорганических веществ в качестве связующих;

• влияние различных приемов формования и термообработки для получения размеростабильных гибких волокнистых материалов;

— проведено исследование влияния плотности материалов и расположения слоев разной плотности в слоистом градиентном материале на

теплоизоляционные свойства материалов, дана сравнительная оценка эффективности теплоизоляции различной плотности.

- изготовлен макет стенда для исследования теплоизоляционных свойств высокотемпературных материалов различной плотности при одностороннем нагреве.

Научная новизна работы.

1. Выявлены закономерности влияния характеристического отношения (1Мс[) волокон на критический радиус изгиба и плотность волокнистых теплоизоляционных материалов. Установлено, что увеличение характеристического отношения приводит к уменьшению критического радиуса изгиба и плотности материала. Полученные закономерности были использованы при создании гибких высокотемпературных материалов на основе муллитокорундового волокна, в том числе, материала с плотностью 300 кг/м3 и радиусом изгиба 350 мм.

2. Определены условия изменения структуры материала, приводящие к образованию текстуры с частичной ориентировкой волокон вдоль направления прокатки и получению равноплотного и размеростабильного продукта. Разработанный материал плотностью 100 кг/м3 защищен патентом РФ на изобретение № 2433917 «Способ получения гибкого волокнистого материала».

3. Предложен метод качественной оценки теплоизоляционных свойств материалов, в том числе слоистых, при одностороннем высокотемпературном нагреве. Метод позволяет оценивать возможности материалов различной плотности, изготовленные из различных видов волокон при высоких скоростях нагрева на специально разработанном и изготовленном стенде.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы состоит в определении закономерностей влияния гомогенизации волокнистой пульпы на сохранение длины волокна и образование структуры волокнистого мата, обеспечивающей максимальную гибкость при плотностях материала 100-300 кг/м3; установлении влияния текстуры материала с частичной ориентацией волокон на равноплотность, размеростабильность и технологичность волокнистых матов; в выявлении зависимости теплоизоляционных свойств материалов от наличия слоистой структуры, в которой волокнистые слои различной плотности располагаются в определенном порядке, что обеспечивает улучшение теплоизоляционных свойств материала на 15—20 %; в развитии принципов создания новых гибких высокотемпературных волокнистых материалов.

Практическая значимость работы:

Разработаны гибкие высокотемпературные теплоизоляционные волокнистые материалы, имеющие усадку не более 5 % при рабочей температуре 1700 °С в виде матов для облицовки поверхностей сложной формы:

- материал ВТИ-19 с плотностью 100 кг/м3 и радиусом изгиба140 мм;

- материал ВТИ-20 с плотностью 200 кг/м3 и радиусом изгиба 350 мм;

5

- материал ВТИ-21 с плотностью 300 кг/м3 и радиусом изгиба 350 мм;

- градиентный материал со средней плотностью 180 кг/м3 и радиус изгиба 350 мм.

На основе материалов ВТИ-19 и ВТИ-20 были созданы материалы ВТИ-16 и ВТИ-16У с плотностями 120—140 и 180 кг/м3 и радиусами изгиба 140 мм и 400 мм соответственно.

Разработана научно-техническая документация: технические условия (ТУ 1-595-29-1173-2010, ТУ 1-595-29-1174-2010, ТУ 1-595-29-1249-2011, ТУ 1595-29-1318-2012, ТУ 1-595-29-962-2007), технологические инструкции (ТИ 1.595-29-114-2009, ТИ 1.595-29-175-2010, ТИ 1-595-29-1249-2011, ТИ 1.595-29418-2012), производственная инструкция (ПИ 1.2.761-2007)

Материалы диссертационного исследования внедрены в опытно-промышленное производство ФГУП «ВИАМ».

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность и обоснованность результатов измерений подтверждается применением комплекса стандартных методов определения физических, физико-механических и теплофизических свойств материалов, применением аттестованных методик испытаний, большого количества испытанных образцов, согласованностью результатов испытаний образцов, использованием поверенных и аккредитованных средств измерений, а также статистической обработкой полученных данных. Использованием современного оборудования известных мировых фирм: «Naber», «Instron», «Olimpus» и др.

Личный вклад соискателя состоит в проведении исследований, обработке данных, анализе и обобщении результатов исследований.

Технологии изготовления материалов переданы для производства на опытный участок ФГУП «ВИАМ» по изготовлению теплозащитных, теплоизоляционных и керамических композиционных материалов. Материалы ВТИ-16 и ВТИ-16У поставляются на предприятия ракетно-космической отрасли.

Апробация результатов исследования проводилась на конференциях: «Современные высокотемпературные композиционные материалы и покрытия» (посвящается 100-летию со дня рождения к.т.н. A.C. Фролова), 4 апреля 2013 г., ФГУП «ВИАМ», г. Москва и «Высокотемпературные керамические композиционные материалы и защитные покрытия», 11 декабря 2014 г., ФГУП «ВИАМ», г. Москва.

Публикации по теме диссертационной работы. По результатам исследований опубликовано 13 статей, из них 5 в журналах, входящих в перечень ВАК. Получено 4 патента и поданы 2 заявки на OTP.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения , 4 глав, выводов и списка литературы. Содержит 146 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 15 таблиц, библиографический список из 102 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе рассмотрены способы теплозащиты летательных аппаратов, ее классификация, преимущества и недостатки различных видов теплозащиты. Описаны характеристики теплозащитных и теплоизоляционных материалов, проведен анализ их применения в системах теплозащиты летательных аппаратов. Рассмотрены преимущества волокнистых теплозащитных и теплоизоляционных материалов. Представлен анализ литературы по способам получения гибких волокнистых теплоизоляционных материалов, рассмотрено получение матов по нетканой технологии, технологии введения связующего в камеру раздува волокон и т.д. Проанализированы характеристики различных видов волокон, как исходных компонентов для изготовления гибких материалов и связь свойств волокон с применением различных способов формования матов. Приведено обоснование необходимости разработки новых способов получения гибких волокнистых матов ТИМ из тугоплавких волокон, получаемых по «золь-гель» технологии. Проведён анализ алюмосиликатных волокон, выпускаемых в Российской Федерации, потенциально подходящих для получения волокнистых теплозащитных и теплоизоляционных материалов.

Анализ литературы показал, что наименее подверженными термической усадке являются волокна химического состава 80 % А1203 - 20 % 8Ю2 с температурой применения до 1700 °С, разработанные и изготовляемые ФГУП «ВИАМ», наименьшая усадка среди алюмооксидных волокон различного состава обеспечивается созданием двухфазной структуры из равномерно распределенных мелкокристаллических зерен термодинамически стабильных фаз - муллита (ЗА1203-28Ю2) и а-А1203, которые не спекаются и растут при температуре эксплуатации.

На основании анализа литературных данных можно предположить, что решение проблемы создания гибкого высокотемпературного материала лежит на пути подбора соответствующих волокон и методов их переработки. Наиболее целесообразным является использование способа получения теплоизоляционных материалов, в основе которого лежит технология, называемая «бумажной», основанная на формовании волокнистого мата из водной пульпы с использованием эластичного связующего. Гибкости материала можно добиться подбором и использованием органического водорастворимого связующего вещества и методов его введения и распределения между волокнами.

Основой для создания гибкого теплоизоляционного материала с плотностями 100-300 кг/м3 могут служить разработанные и производимые в ВИАМ высокотемпературные муллитокорундовые волокна с рабочей температурой 1700 °С. Наиболее перспективным для обеспечения гибкости

7

изоляционного материала является сохранение длины волокон в процессе переработки и применение эластичных связующих.

Для успешного проведения работы по разработке отечественных гибких высокотемпературных теплоизоляционных материалов необходимо решить следующие основные задачи:

- исследовать процесс гомогенизации водной пульпы с волокнами муллитокорундового состава и выбрать метод гомогенизации, обеспечивающий сочетание требований гибкости и плотности;

- исследовать влияние состава и содержания органических и неорганических связующих на гибкость и методы их введения;

- исследовать процессы сушки на изменение геометрических размеров гибких волокнистых материалов;

— исследовать и оценить теплоизоляционные свойства полученных материалов.

Во второй главе описаны материалы и методы исследований, использованные в работе. Объектом исследования являлись гибкие волокнистые материалы, их исходные компоненты - дискретные волокна на основе оксидов алюминия и кремния, связующие вещества, а также процессы формования размеростабильных волокнистых матов различной плотности, теплоизоляционные свойства волокнистых материалов и их связь с плотностью материалов.

Для исследования физических и физико-механических свойств материалов использовали методики, описанные в ГОСТ 17177-94. Исследования волокон и структуры материалов проводили с применением методов оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеновской дифрактометрии. Для определения количества неволокнистых включений в дискретных волокнах оксида алюминия использовалась методика ВИАМ СТП-1-595-41-247-90. Диаметр волокон определялся по ГОСТ 6943.2 -79. Для определения характеристического отношения (отношение длины волокна к диаметру) была использована методика, описанная в СТП 1-595-41189-87, разработанная на основе исследования кварцевых волокон, а также методика, модифицированная для применения к муллитокорундовым волокнам, так как существенная ошибка вносится значительным количеством неволокнистых включений.

Предложен способ определения теплоизоляционных и эксплуатационных свойств волокнистых материалов с использованием одностороннего высокотемпературного нагрева. Разработан и изготовлен макет стенда одностороннего нагрева, позволяющий измерять изменение температуры по толщине образца волокнистого материала, эксплуатационные свойства материала при высокой температуре.

В третьей главе представлены результаты исследований процессов формирования гибких волокнистых материалов различной плотности на основе муллитокорундовых волокон. Дана характеристика основных сырьевых компонентов - дискретных волокон состава 80 % А1203 и 20 % БЮ2 (фазовый

8

состав волокон - муллит, 5- А1203 и а- А1203), со средним диаметром 1-3 мкм, проведен анализ возможности использования волокон для изготовления гибких теплоизоляционных материалов.

Относительно низкая длина волокон сильно затрудняет их переработку методами, принятыми в текстильной промышленности. Другим препятствием является высокая хрупкость поликристаллических волокон, не допускающая их машинной переработки. Внешний вид волокон представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Дискретные волокна для изготовления высокотемпературной теплоизоляции. хЮОО

Влияние важной характеристики волокна - отношения длины волокна к его диаметру //с? (характеристическое отношение) на гибкость волокнистого мата представлено на рисунке 2. Критерием гибкости материала служит критический радиус изгиба: минимальный радиус цилиндра, при изгибе вокруг образующей которого, материал не разрушается.

Характеристическое отношение (1/(1)

Рисунок 2 - Влияние характеристического отношения на гибкость волокнистого мата.

Установлено, что чем выше характеристическое отношение, тем меньше радиус критического изгиба волокнистых матов.

Основными требованиями, которые можно сформулировать к волокнам как к исходному компоненту для получения гибкого волокнистого высокотемпературного материала, является следующие:

- повышение прочности дискретных волокон, включая разработку методики ее оценки;

- увеличение длины волокон до 50 мм и более;

- снижение уровня содержания неволокнистых включений до 1-2 % масс.

Исследование процессов гомогенизации волокнистой водной пульпы,

показало различия в свойствах материалов, полученных перемешиванием миксерным способом и способом аэрационной гомогенизации. Установлено, что плотность волокнистого мата зависит от времени гомогенизации при миксерном способе только до определенного предела. При достижении определенной плотности, с увеличением времени гомогенизации плотность волокнистого мата остается постоянной (рисунок 3).

Время гомогенизации, сек.

среднее 2,5 г/л-*—среднее 5 г/л А среднее 10 г/л

Рисунок 3 — Зависимость плотности материала от времени гомогенизации.

Установлена зависимость плотности волокнистого мата при миксерном способе перемешивания от концентрации волокна, что позволит заранее задавать плотность волокнистого мата при изготовлении для конкретного типа миксера (рисунок 4).

0,080 *-1-1-1-1-1-1

О 20 40 60 80 100 120

Концентрация волокна, г/л

Рисунок 4 - Зависимость плотности волокнистого мата от концентрации волокна в пульпе.

При исследовании процесса аэрационной гомогенизации было установлено, что данным способом возможно получить материалы с плотностью менее 0,15-0,16 г/см3, при этом гибкость волокнистых

матов выше, чем гибкость волокнистых матов такой же плотности, полученных с использованием миксерного способа. Полученные данные представлены на рисунке 5.

450

О -,-,-,-,-,

* О 2 4 6 8 10

концентрация волокна, г/л —♦—Аэрационная гомогенизация -Ш-Миксерная гомогенизация

Рисунок 5 - Зависимость гибкости материалов от концентрации волокна в пульпе при различных способах гомогенизации.

Установлено, что увеличение концентрации волокна в пульпе при одинаковом времени гомогенизации приводит при миксерном способе к уменьшению гибкости матов. При аэрационном способе гибкость матов остается на прежнем уровне. Аналогично зависит от концентрации плотность волокнистых матов.

Исследования по подбору связующих веществ были проведены исходя из ряда критериев, главным из которых было увеличение технологической прочности ТИМ при сохранении гибкости, минимальном влиянии на плотность, на теплофизические свойства, минимальное дымообразование при нагреве, - в качестве связующего была выбрана серийно выпускаемая эмульсия поливинилацетата (ПВА). Установлено, что серийно выпускаемая разными производителями эмульсия ПВА обладает разным влиянием на физические свойства мата. Исследование зависимости структуры дисперсии, ее клеящих свойств и влияние на свойства мата позволили установить, что качество эмульсии зависит от ее структуры (рисунок 6 а, б, в).

Рисунок 6 (а, б, в) - Структура эмульсии ПВА, выпущенной различными производителями.

Величина клеящей способности ПВА определена по величине нагрузки при испытании на разрыв склеенных образцов ткани (рисунок 7).

Относительное удлинение, мм

Рисунок 7 — Нагрузка при испытании на клеящую способность образцов ПВА. Кривая черного цвета — образец структуры представленной на рис. 6в, красного — рис. 66 и синего - 6а.

Наилучшими клеящими способностями обладает образец, представленный на рис. 6 в, где эмульсия распределена равномерно. Клеящие свойства убывают по мере образования крупных конгломератов, с приобретением характера дисперсии. При этом установлено, что оптимальной гибкостью обладают материалы, полученные с использованием ПВА, со структурой представленной на рисунке 66. Видимо данный образец ПВА обладает оптимальным сочетанием клеящих свойств и эластичными свойствами. Установлены концентрации ПВА, обеспечивающие наилучшие показатели гибкости материалов (рисунок 8).

Количество ПВА на грамм волокна, г ПВА/г волокна

Рисунок 8 — Области гибкости материала в зависимости от концентрации эмульсии ПВА на грамм волокна.

Для предотвращения нерегулируемого и нестабильного увеличения высоты волокнистого мата после сушки был предложен метод прокатки влажного мата валом (рисунок 9а). При прокатке, предположительно, происходит излом изогнутых и перекрученных волокон, структурирование волокон с заполнением пустот, возникших при вакуумном формовании и, возможно, более равномерное распределение жидкости, содержащей связующее, по объему мата. Высота и равномерность мата после прокатки с различным эмпирическим коэффициентом представлены на рисунке 96.

а)

б)

- Расчетная толщина готооого материала, мм

-Эмпирический коэффициент

-Толщинаматериала после воздействия, мм

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Номер образца

Рисунок 9 (а) - Установка для механического воздействия на влажный мат, (б) - зависимость изменения толщины мата от величины коэффициента прокатки.

Контроль процесса прокатки проводили по изменению высоты мата. Величину, до которой необходимо прокатывать мат, чтобы получить материал нужной высоты, определяют по эмпирической формуле:

D1=KxD, (1)

где D - высота прокатанного влажного мата, D\ - требуемая высота готового мата, К - эмпирический коэффициент, зависящий от высоты готового

мата, требуемой плотности и высоты влажной заготовки.

На основании проведенных исследований предложены и отработаны технологические приемы получения материалов различной плотности в экспериментальной и опытно-промышленной установках.

Предложен и опробован способ двухступенчатой гомогенизации при формовании волокнистого мата с плотностью 200 кг/м3, включающий в себя диспергацию дискретных волокон на миксерной установке до получения характеристического отношения {lid), обеспечивающую необходимую плотность волокнистого мата с последующей аэрационной гомогенизацией. Изготовлены образцы гибкого материала с плотностью 180-220 кг/м3, исследованы свойства полученных образцов.

Предложен и опробован способ армирования мата из дискретных волокон штапелированными непрерывными волокнами аналогичного состава, позволивший, наряду с двухступенчатой гомогенизацией, получить образцы материала с плотностью 270-300 кг/м3, армированные 10-15 % непрерывных штапелированных волокон и исследованы их свойства. Критический радиус изгиба полученных материалов составил 350 мм.

Отработаны технологические приемы изготовления слоистого градиентного материала, состоящего из слоев трех разных плотностей. Получены образцы многослойного материала, состоящие из слоев гибких ТЗМ различной плотности и исследованы их свойства. Критический радиус изгиба для материала средней плотностью 180 кг/м3 составляет 350 мм.

В четвертой главе описаны исследования теплоизоляционных свойств волокнистых материалов при одностороннем нагреве, частично имитирующих условия эксплуатации. Для проведения исследований был предложен методологический подход к испытаниям однослойных и многослойных волокнистых материалов, разработан и изготовлен макет стенда, позволяющий кратковременно производить испытания при температуре 1590 °С. Теплоизоляционные свойства материалов качественно оценивались по разности температур на сторонах образца. Схема стенда приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 — Схема рабочей зоны испытательного стенда.

1 — металлическая (алюминиевая) пластина; 2 - 4-х слойный образец испытываемого материала; 3 - термопара «холодной» стороны; 4, 5, б -термопары между слоями материала; 7 - термопара «горячей стороны»; 8 -силитовые нагреватели; 9 - защитная маска; 10 - теплоизоляция стенда; 11-облицовка или экраны (для некоторых образцов).

Была произведена отработка конструкции стенда и метода исследований теплоизоляционных свойств материалов. Следует отметить, что макет стенда не предназначен для точного измерения теплофизических свойств материалов, а позволяет провести качественную оценку поведения и работоспособности материала в условиях одностороннего нагрева.

Для проведения исследования использовали образцы толщиной 40-50 мм, изготовленные как в виде целого мата, так и состоящие из слоев одинаковой или различной плотности. Слои материала располагаются перпендикулярно к направлению теплового потока. Устройство стенда также позволяет получать значения температур между слоями материала. С помощью стенда можно измерять разность температур на нагреваемой и холодной стороне, и внутри материала на различном расстоянии от нагреваемой стороны. При вычислении теплового потока, проходящего через образец материала, возможны значительные погрешности от тепловых потерь на сторону, тем не менее, можно достаточно точно оценить теплоизоляционные свойства материала, а используя образцы сравнения, вычислить коэффициент теплопроводности.

Известны данные, приведенные В.Н. Грибковым, Б.В. Щетановым, C.B. Резником, П.В. Просунцовым и др., что повышение величины коэффициента теплопроводности с ростом температуры для более плотных материалов происходит в меньшей степени, чем для менее плотных. Следовательно теплопроводность при температурах до 700-1000 °С ниже у менее плотных материалов, а при температурах выше 1100-1200 °С ниже у более плотных. Данные исследований теплоизоляционных свойств при одностороннем нагреве для материалов разной плотности на основе волокон кварца и муллитокорундовых волокон приведены на рисунке 11(а, б).

16

а)

б)

200

« 1К>

О.

I

///

10 20 30 40 50 60 70 80 Время, МИН

ЮОкг/куб.м 200 кг/куб.м 300 кг/куб.м

Рисунок 11 - Температура на «холодной» стороне образца для материалов разной плотности на основе кварцевых волокон (а) и муллитокорундовых волокон (б) при одностороннем нагреве до температуры 1200 °С.

Установлено, что при температуре 1200 °С различие в теплоизоляционных свойствах материалов различной плотности и изготовленных из волокон различных видов не значительны, и могут быть объяснены погрешностью измерений.

При температуре 1590 °С разница в теплоизоляционных свойствах материалов разной плотности на основе муллитокорундовых волокон становится заметной (рисунок 12) и соответствует представлениям об изменениях теплопроводности материалов разной плотности с ростом температуры.

Рисунок 12 - Влияние плотности на теплоизоляционные свойства материалов на основе муллитокорундовых волокон.

Были исследованы теплоизоляционные свойства материалов состоящих из нескольких слоев материалов одной плотности (рисунок 13).

40 60

Время, мин

-Температура горячей стороны пакета

-Температура после 1-огс слоя пакета, И(сумм)=14 мм

-Температура после 2-ог слоя. И(сумм)=35 мм

Температура на А1-пластине

120

Рисунок 13 - Распределение температур в слоистом материале плотностью 120

кг/м3.

Характер распределения температур по слоям одинаков для образцов различной плотности с небольшой разницей по температурам.

18

Исследованы теплоизоляционные свойства градиентного материала, распределение температур по слоям материала представлено на рисунке 14.

1800

1600

1400

О. 1200

CL

1000

U.

X 800

600

400

200

0

у

/ -1-1-1- V -

• Г

t / 1 ^-ш—1

// У Á I —

О / ^

40

Время, мин

100

—•-Температура горячей стороны пакета -■—Температура после 2-ого слоя (210 кг/мЗ) —о—Температура'холодной 'стороне образца

- Температура после 1-ого слоя (320 кг/мЗ) -Температура после 3-ого слоя (110 кг/мЗ)

Рисунок 14 - Распределение температур в градиентном образце

Различие в температурах «холодной стороны» градиентного материала и материала с плотностью 100 кг/м3 и, следовательно, в теплоизоляционных свойствах представлено на рисунке 15.

3SO 300 o2í0 g"200

О.

Р-

2.150 s

I 100

v t—

60 o

J. —'

/ > Í

; ' 1

т * » г""4

20

40 SO

Время, мин

so

120

"Градиентный образец

'Образец с плотностью 1 00 кг/мЗ

Рисунок 15 - Сравнение температуры «холодной» стороны при испытаниях штатного и градиентного образцов.

Разность температур образцов составляет 70-110 °С. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о более высоких

19

теплозащитных свойствах слоистых градиентных материалов, состоящих из слоев разной плотности, расположенных по мере увеличения плотности по мере удаления от нагреваемой стороны.

Для разработанных в ходе выполнения исследований материалов был определен коэффициент теплопроводности. Соотношение коэффициентов теплопроводности представлено на рисунке 16.

Рисунок 16 — Теплопроводность разработанных материалов различной плотности и градиентного материала.

Материал ВТИ-19 плотностью 100 кг/м3; ВТИ-20 - 200 кг/м3; ВТИ-21 - 300 кг/м3; ВТИ-24 - градиентный материал со средней плотностью 180 кг/м3 (экспериментальные данные получены в интервале температур до температуры 1300 °С, далее значения получены методом экстраполяции).

Полученные результаты согласуются с исследованиями теплоизоляционных свойств материалов, полученных на макете стенда одностороннего нагрева.

Определив перепад температур на образце с известным коэффициентом теплопроводности, можно определить коэффициент теплопроводности гибкого теплоизоляционного материала по формуле

Хн = {5„х ^x(t,-t2)}/{5„x (tlH-t2H)}, (2)

где >w, — неизвестный коэффициент теплопроводности; Х„ - известный коэффициент теплопроводности; 5Н, 8И - толщины образцов; ti-t2>> tiH-t2H -разности температур в образцах.

Рассчитанные коэффициенты теплопроводности близки к данным, полученным другими методами.

Исследована упругость (восстанавливаемость) гибких волокнистых материалов. Упругость практически не зависит от плотности материала и составляет 95-98 %.

Определена линейная температурная усадка гибких теплоизоляционных материалов. При температуре 1600 °С в течении 16 часов линейная температурная усадка составила на материале с плотностями 80-150 кг /м менее 3 % , при 4-х часовой выдержке при температуре 1700 °С усадка составила 2,5-4 %.

По своим свойствам разработанные гибкие высокотемпературные теплозащитные материалы могут быть использованы для разработки теплозащиты ракетно-космической техники или как теплоизоляционные футеровки сложных поверхностей, высокотемпературные уплотнительные материалы и т.д.

Результаты данной работы были использованы при выполнении хозяйственного договора № 117/19-07/257-7-7 от 27.02.2007 с ОАО «ВПК «НПО «Машиностроение».

В результате проделанной работы были разработаны следующие материалы и освоено их опытное производство: ВТИ-16, ВТИ-16У, ВТИ-19 и ВТИ-20.

По результатам работы оформлена производственная инструкция (ПИ 1.2.761-2007 «Изготовление теплоизоляционного материала ВТИ-16») и 2 технологические инструкции (ТИ 1.595-29-144-2009 «Изготовление гибкого высокотемпературного уплотнительного теплоизоляционного материала с плотностью 100 кг/м3» и ТИ 1.595-29-175-2009 «Изготовление гибкого высокотемпературного уплотнительного теплоизоляционного материала с плотностью 200 кг/м3» срок введения 02.08.2010 г.).

ВЫВОДЫ

1. Разработаны гибкие волокнистые теплоизоляционные материалы с рабочей температурой 1700 °С на основе муллитокорундовых волокон:

- материал с плотностью 100 кг/м3 и критическим радиусом изгиба 140 мм с применением способа аэрационной гомогенизации;

- материал с плотностью 200 кг/м3 и критическим радиусом изгиба 250 мм, с использованием двухступенчатого способа приготовления водно-волокнистой пульпы, сочетающего способ миксерной и аэрационной гомогенизации пульпы;

- материал с плотностью 300 кг/м3 и критическим радиусом изгиба 350 мм, с использованием двухступенчатого способа гомогенизации пульпы и с применением двухфракционного состава волокон: дискретных с диаметром 1 мкм и штапелированных с диаметром 10 мкм в весовом соотношении 5:1.

- градиентный теплоизоляционный материал со средней плотностью 180 кг/м3 и критическим радиусом изгиба 350 мм, состоящий из слоев материалов

различной плотности, расположенных в порядке возрастания плотности по направлении к более высокой температуре.

2. Предложен способ аэрационной гомогенизации волокнистой пульпы, применение которого приводит к увеличению гибкости материалов при одинаковой плотности. Способ непосредственно используется для получения материалов плотностью до 160 кг/м3, а также использован в комбинации с другими технологическими приемами при получении материалов с большей плотностью. На способ подана заявка на патент № 201407962, дата регистрации 03.03.2014 г.

3. Предложен способ контролируемой прокатки влажного мата, позволивший получить размеростабильные волокнистые гибкие материалы различной плотности. Способ защищен патентом на изобретение № RU 2433917, опубл. Б.И. №32 20.11.2011г.

4. Разработан и изготовлен лабораторный стенд одностороннего нагрева и предложен метод оценки теплоизоляционных и эксплуатационных свойств волокнистых материалов до температуры 1600 "С (подана заявка на патент РФ № 2014138716, дата регистрации 25.09.2014 г.). Установлено что в зоне температур выше 1300 °С лучшими теплоизоляционными свойствами обладают более плотные материалы, в зоне температур ниже 800 "С лучшими теплоизоляционными свойствами обладают материалы с минимальной плотностью. Показано оптимальное соотношение теплоизоляционных свойств и удельного веса для градиентного материала: разность температур при использовании градиентного материала на 50-100 "С ниже, чем при применении материала одной плотности.

5. Разработаны и внедрены в опытно-промышленное производство (для изделий ракетно-космической техники) технологии получения и гибкие волокнистые материалы с рабочей температурой 1700 °С: материал ВТИ-19 с плотностью 100 кг/м3, материал ВТИ-20 с плотностью 200 кг/м3, материал ВТИ-21 с плотностью 300 кг/м3, материал ВТИ-24 - градиентный слоистый теплоизоляционный материал со средней плотностью 180 кг/м3, а также материалы ВТИ-16 и ВТИ-16у. На все материалы оформлена научно-техническая документация в виде технологических инструкций (ТИ) с литерой «Ol» и технических условий (ТУ).

Автор выражает глубокую благодарность за сведения, полученные в консультациях с A.B. Зуевым, ЭЛ. Уманцевым, Ю.А. Ивахненко, A.M. Зимичевым, В.В. Кузьминым, О.В. Басаргиным, Ю.А. Балиновой и большой вклад в работу, который внесли A.B. Юдин, A.A. Луговой, Т.М. Щеглова, Н.М. Варрик, В.В. Бутаков, Ю.А. Охотникова, Ю.В. Карпов, В.Г. Максимов и др.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

Перечень ВАК

1. Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г. /Теплозащитные материалы // Российский Химический Журнал — 2010 - том LIV - № 1 - с. 12-19

2. Бабашов В.Г., Луговой A.A., Карпов Ю.В. Температуропроводность гибкого градиентного теплоизоляционного материала // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, № 1 (2015), http://naukovedenie.ru/ PDF/51TVN115.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. D01:10.15862/51TVN115. С. 16

3. Папилин Н.М., Капитанов А.Ф., Волков В.А., Гладышев А.Ю., Бабашов В.Г., Варрик Н.М. / Обоснование рецептуры волокнистой суспензии// Химические волокна.-2009- № 5. - с. 31-33

4. Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г., Зимичев A.M., Тинякова Е.В. /Высокотемпературные теплоизоляционные и теплозащитные материалы на основе волокон тугоплавких соединений // Авиационные материалы и технологии - юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии)/ Под общ. ред. акад. РАН, проф. E.H. Каблова,- М.; ВИАМ, 2012. с. 380-385

5. Сытый Ю.В., Сагомонова В.А., Максимов В.Г., Бабашов В.Г. /Звукотеплоизолирующий материал градиентной структуры ВТИ-22 / Авиационные материалы и технологии./ 2013. № 2. с. 47-49.

Другие издания

6. Способ получения волокнистого керамического материала: патент RU 2433917: С04В35/80: / Б.В. Щетанов, Ю.А. Ивахненко, В.Г. Бабашов, A.B. Юдин, В.В. Бутаков/заявка 2010118507 от 11.05.2010; опубл. 20.11.2011.

7. Бабашов В.Г., Луговой A.A., Карпов Ю.В. /Влияние плотности на теплоизолирующие свойства волокнистых теплоизоляционных высокотемпературных материалов /Новости материаловедения. Наука и техника. 2013. № 1. С. 8.

8. Способ получения волокнистого теплоизоляционного материала: патент № RU 2466966 С1 Рос. федерация С04В30/00: / Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г., Юдин A.B., Бутаков В.В., Третьякова О.Т. - № 2011118709/03; заявл.11.05.2011; опубл. 2012.

9. Огнестойкий волокнистый теплозвукоизолирующий материал: патент RU 2465145, Российская федерация, /Сытый Ю.В., Самогонова В.А., Николаева М.Ф., Максимов В .Г., Бабашов В.Г., Третьякова О.Т./ заявка № 2011118705/05, регистрация 11.05.2011.

10. Способ получения керамического композиционного изделия: патент № RU 2412134 С1 Рос. федерация, В28ВЗ/00:/ Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Бабашов В.Г., Максимов В.Г., Юдин A.B. - №2009136319/03; заявл. 23.09.2009; опубл. 20.02.2011.

11. Бабашов В.Г., Варрик Н.М. /Высокотемпературный гибкий волокнистый теплоизоляционный материал/ электронный научный журнал

23

«Труды ВИАМ», № 1,2015.С.12, (режим доступа свободный). URL: www/viam-works.ru

12. Способ получения гибкого теплоизоляционного материала /заявка на патент РФ № 2014107962 / Каблов E.H., Бабашов В.Г.. Бутаков В.В., Луговой A.A., Варрик Н.М./ дата регистрации 03.03.2014 г.

13. Стенд для качественной оценки теплоизоляционных свойств материала / заявка на патент РФ № 2014138716 / Каблов E.H., Щетанов Б.В., Бабашов В.Г., Луговой A.A./ дата регистрация 25.09.2014 г.

Отпечатан 1 экз. Исп. Бабашов В.Г. Печ. Бабашов В.Г.

Автореферат Бабашова В.Г.

«Гибкие высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе муллитокорундовых волокон»

Подписано в печать 17.03.2015. Заказ 2/1232 Формат бумаги 60x90/16. Печ. л 1,75. Тираж 80 экз. Отпечатано в типографии ФГУП «ВИАМ» 105005, г. Москва, ул. Радио, 17