автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка методики рационального выбора технологического процесса производства теплонапряженных деталей многоразовых космических аппаратов из углерод-керамических композиционных материалов

На правах рукописи УДК 629.782: 621.763

Михайловский Константин Валерьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МНОГОРАЗОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ИЗ УГЛЕРОД-КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

05.07.02 - Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2011

4856740

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана.

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор

Резник Сергей Васильевич

доктор технических наук, профессор

Тарасов Владимир Алексеевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Юдин Валерий Михайлович

ФГУП «НИИграфит»

Защита состоится «19- 2011 г. в й. ч. Зо мин.

на заседании диссертационного совета ДС 212.008.02 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим выслать по адресу: 105005, г.Москва, 2-ая Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, диссертационный совет ДС 212.008.02.

р

Автореферат разослан «^ » 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Смердов А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в ракетно-космической технике востребованы конструкции из композиционных материалов (КМ), способные работать в широком интервале температур и давлений без изменения формы и размеров, потери теплозащитных характеристик. Производство таких КМ необходимо в связи с созданием нового поколения пилотируемых и беспилотных многоразовых космических аппаратов (МКА), совершающих полет с высокими скоростями в атмосфере. Магистральное решение вопросов тепловой защиты МКА состоит в использовании так называемых «горячих» конструкций, которые сочетают в себе силовые и теплозащитные функции благодаря интеграции углерод-керамических КМ (УККМ) с легкими керамическими теплоизоляторами. По этой схеме из УККМ выполнены опытные конструкции носовых обтекателей, передних кромок крыльев, панелей корпуса и управляющих поверхностей МКА «Hermes» (ESA), Х-38 (США) и «Hopper» (EADS Company).

В УККМ керамическая матрица обладает высокой термостойкостью, а углеродный каркас обеспечивает необходимую прочность и жесткость. Основные преимущества УККМ — высокая термостойкость, сравнительно малая плотность, высокие прочностные и жесткостные свойства, низкий коэффициент линейного термического расширения (KJ1TP), стойкость к окислению.

Необходимые качества конструкции из УККМ формируются в процессе ее производства, поэтому актуальна постановка всесторонних многомасштабных исследований влияния технологических факторов (режимы, прекурсоры, рабочие среды и др.) на структурные характеристики и физические свойства материалов в широком диапазоне эксплуатационных параметров. Для управления качеством конструкций из УККМ необходимо анализировать технологические особенности их получения, прогнозировать закономерности формирования матричного материала в поровом пространстве углерод-углеродных заготовок, связывая это с причинами образования различного рода дефектов и их эволюцией не только на стадиях производства УККМ, но и в процессе эксплуатации.

Повышению стойкости конструкций из УККМ к действию многократных нагрузок может способствовать детальная отработка технологических параметров процесса производства конструкций с необходимой структурной однородностью материала. Однако, на основе интуитивно-эмпирических приемов оптимизировать технологические параметры процесса, гарантирующие производство конструкций из УККМ требуемого качества, нельзя без больших затрат времени и средств. Опираясь лишь на экспериментальные данные, трудно даже обеспечить корректный перенос технологических параметров с лабораторных установок на промышленные в силу сложности протекающих физико-химических явлений. С другой стороны, теоретические подходы к проектированию производственных технологий подразумевают создание нового или освоение имеющегося математико-алгоритмического и программного обеспечения. Нельзя сказать, что это простая задача, но ее ре-

шение способно многократно повысить эффективность работ по производству крупногабаритных конструкций многоразового применения из УККМ. В силу сложности теоретического решения рассматриваемой задачи наиболее эффективным представляется настройка и использование одного из современных комплексов, таких как ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, CFD АСЕ, FLOW 3D.

Цель работы состоит в повышении качества, сокращении сроков и снижении материальных затрат при изготовлении крупногабаритных деталей ракетно-космических конструкций из углерод-керамических композиционных материалов.

Тема диссертации отвечала планам работ по реализации задач: Федеральной космической программы РФ на 2006-2015 гг., государственного заказа на 2006 г. (постановление Правительства РФ от 29.12.2005 № 825-50) - НИР «Композиция»; раздел 1, ОКР «Материал»; государственного оборонного заказа на 2009 г. и на плановый период 2010-2011 гг. (постановление Правительства РФ от 29.12.2008 № 1036) - ОКР «Кернит»; Федеральной целевой программы «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 гг. и на период до 2015 г.», раздел 2 (постановление Правительства РФ от 11.09.2008 № 658-25) -НИР «Янус». Отдельные результаты получены при финансовой поддержке по проектам № 2.1.2/5865 и № 2.1.2/11304 аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)», а также по грантам РФФИ № 06-08-01516-а, 08-08-01065-а, 09-08-00607-а.

Научная новизна диссертации

1. Впервые изучены закономерности уплотнения матричным материалом порового пространства УККМ в диапазоне температур от 873 до 1000 К и давлений от 5 до 100 Па для производства деталей конструкций многоразового применения с повышенной на 12% структурной однородностью по геометрическим размерам (по высоте, длине, толщине) на основе разработанной системы многоуровневых математических моделей комбинированного тепло- и массо-обмена, происходящих в газофазных технологических реакторах.

2. Обоснованы и реализованы новые режимы производства деталей конструкций из УККМ в натурных технологических установках на основе разработанного математико-алгоритмического обеспечения и интеграции программных комплексов для моделирования технологического процесса газофазного уплотнения.

3. Впервые исследованы механизмы и особенности деформирования, разрушения деталей ракетно-космических конструкций многоразового применения из УККМ на макро- и микроуровне во время воздействия эксплуатационных нагрузок с использованием разработанного математико-алгоритмического аппарата, которые позволили установить характер взаимодействия на уровне «волокно-матрица» с учетом их адгезии.

На защиту выносятся:

1. Закономерности уплотнения матричным материалом порового пространства УККМ для производства деталей ракетно-космических конструкций многоразового применения с высокой структурной однородностью на основе системы многоуровневых математических моделей тепло- и массообмена, характерных для газофазных технологических реакторов.

2. Результаты расчетно-теоретических исследований для прогнозирования процессов в натурных технологических установках на основе разработанного математико-алгоритмического обеспечения.

3. Результаты исследования механизмов и особенностей деформирования, разрушения деталей ракетно-космических конструкций многоразового применения из УККМ на макро- и микроуровне во время воздействия эксплуатационных нагрузок с использованием разработанного математико-алгоритмического аппарата.

Практическую ценность имеют:

1. Методика математического моделирования комбинированного тепло- и массообмена в газофазных реакторах при производстве деталей конструкций из УККМ, которая позволяет не только оптимизировать технологические параметры, режимы и прогнозировать особенности уплотнения матричным материалом порового пространства материала, но и проектировать реакторы разномасштабных установок газофазного осаждения.

2. Рекомендации по организации производства крупногабаритных ракетно-космических конструкций из УККМ, способствовавшие повышению производительности на 15%, уменьшению на 25% энергоемкости процесса газофазного осаждения карбидокремниевой матрицы, повышению структурной однородности конструкций из УККМ по геометрическим размерам (по высоте, длине, толщине) на 12% и, как следствие, увеличению окислительной и эрозионной стойкости материала.

Указанные результаты использованы в НИР и ОКР в ОАО «Композит» и учебном процессе в МГТУ им. Н.Э. Баумана, что отражено в соответствующих актах о внедрении.

Достоверность результатов исследований гарантируется корректностью выбора исходных допущений при постановке задач, адекватностью применяемых моделей физико-химических явлений, строгостью использования современного математического аппарата, а также сравнением с экспериментальными данными.

Личный вклад автора состоит в разработке методики рационального выбора технологического процесса производства теплонапряженных деталей из УККМ, проведении расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, анализе и обобщении полученных результатов. Все основные результаты и выводы получены лично автором.

Апробация основных результатов диссертации проведена на научных конференциях и семинарах, в том числе: 3-й международной конференции «Ракетно-космическая техника: фундаментальные и прикладные проблемы» (Мо-

сква, 2007), 2-й и 3-й международных научно-технических конференциях «Аэрокосмические технологии» (Москва-Реутов, 2009 [1], 2010), 2-й и 3-й Всероссийских конференциях «Будущее машиностроения России» (Москва, 2009 [2], 2010 [3]), 3-й международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009 [4]), 3-й международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (Суздаль, 2010), 7-й Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2010 [5]), 6-й Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2011 [6]), на XXXIV Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2010 [7]), на 5-м международном научном симпозиуме «Передовые технические системы и технологии» (Севастополь, Украина, 2009) и Всероссийском симпозиуме «Функциональные композиционные материалы» (Пермь, 2009), на научных семинарах в МГТУ им. Н.Э. Баумана и ОАО «Композит» (2008-2011).

По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 8 статей в журналах, относящихся к перечню, рекомендованному ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и приложения, содержит 179 страниц текста, 97 рисунков, 9 таблиц. Список литературы включает 218 работ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава носит обзорно-аналитический характер. В ней систематизированы и обобщены литературные данные по структурным и физико-механическим особенностям углеродных волокон, типах армирования и приемах получения матричного материала УККМ. Кратко описаны области применения УККМ в конструкциях МКА. Проведен критический анализ имеющихся алгоритмов для математического моделирования газофазных технологических процессов. Сформулирована цель и задачи работы.

Во второй главе представлены выявленные закономерности уплотнения матричным материалом порового пространства заготовки при производстве деталей ракетно-космических конструкций из УККМ в газофазном реакторе, полученные с использованием многоуровневых математических моделей тепло- и массообмена. Определено влияние технологических параметров процесса на равномерность осаждения карбидокремниевой матрицы на макро- и микроуровне на основе результатов численного моделирования тепло- и массообмена с учетом химической макро- и микрокинетики.

Моделировался процесс осаждения карбидокремниевой матрицы из газовой фазы монометилсилана (ММС). Задача разделялась на две подзадачи: внутреннюю и внешнюю. К внутренней задаче относилось моделирование физико-химических явлений, происходящих в объеме и на поверхности заготовки конструкции. К внешней задаче - моделирование процессов, которые происходят вне заготовки конструкции из УУКМ. Обе задачи сопрягались с помощью граничных условий на поверхности заготовки конструкции из УУКМ.

Характер уплотнения волокнистого каркаса матрицей определяется закономерностями тепло- и массообмена в пористом материале и в газовой среде реактора. Математическая модель технологического процесса включала в себя уравнения течения многокомпонентной газовой смеси с учетом гетерогенных химических реакций на макро- и микроуровне и уравнения сопряженного комбинированного теплообмена в системе со сложной геометрией. Математический аппарат базировался на уравнениях Навье-Стокса для многокомпонентной реагирующей газовой смеси, а также на уравнениях химической кинетики (в частности, учитывалось уравнение Аррениуса на реакционных поверхностях).

Для переноса результатов с существующих разномасштабных и разнотипных установок на вновь проектируемые промышленные установки система уравнений строилась в безразмерном виде с использованием теории подобия. В качестве масштабов длины, времени, скорости, температуры и молекулярного веса выбирались некоторые характерные значения этих величин Л и®, Т°, а в качестве масштабов физических свойств смеси, ее коэффициентов переноса и констант скоростей химических реакций — значения соответствующих величин, определенные при Т", р" и некотором характерном составе смеси: р°, ср", X", £>°, к°. Масштабы всех остальных величин, входящих в систему уравнений, строились с учетом безразмерных параметров. Система включала следующие уравнения:

Уравнение неразрывности для смеси в целом:

бí

Уравнение неразрывности г-ой компоненты:

Уравнение количества движения:

Уравнение энергии:

Система уравнений дополнялась следующими зависимостями:

- - - 1 —1 ^ с,

т ] т1

— *—, С, Ш ----с ж ~ —— —

^'Е—-=-Р№)'Ь+Р]М1пГ) -

)«тг О и —'¡т1-Оц

с^т

с.^т

-р-с, У(1пт) + (1 - —)У(1пр) ;

т

4 =£m/(v;-vi)'

-П

С;

т.

где: Sh = - число Струхаля; M =

-к-^-Yl

и с

-- - число Маха, где у =-£- - пока-

с„

y-R-r

затель адиабаты; Rc

число Рейнольдса; Fr =

И

число Фруда;

Рг

V

Ц

число Прандтля; Sc= „

число Шмидта;

D,. =-

Г «о 1 -■-I V',"

р

0

т \

(KT

- число Дамкелера; - безразмерный весj-ой ком-

т

поненты смеси; р - плотность смеси; t - время; V — среднемассовая скорость; с, — массовые концентрации г-ой компоненты; щ — массовая скорость образования г-ой компоненты; J, - вектор плотности массового диффузионного потока г-го компонента; h — энтальпия; q - тепловой поток; р - давление; Г - температура; R - универсальная газовая постоянная; т; - молекулярный вес г'-ой компоненты; v'ü, v" - стехиометрические коэффициенты соответственно для реагентов и продуктов реакции; с°р - удельная теплоемкость г-ой компоненты при постоянном давлении; с° - удельная теплоемкость г-ой компоненты при постоянном объеме; коэффициент вязкости компоненты газовой смеси; к\ -константа скорости прямой реакции; к" - константа скорости обратной реакции; [сг] - тензор вязких напряжений; Я - коэффициент диффузии; Я - коэффициент диффузии смеси; kTj - термодиффузионные соотношения; X - коэффициент теплопроводности смеси многоатомного газа; g - массовая скорость компоненты смеси.

Для апробации, верификации и реализации разработанных математических моделей в качестве объекта исследования выбрана кромка крыла МКА из УККМ (рис. 1), получаемая в газофазном реакторе посредством осаждения кар-бидокремниевой матрицы из ММС на тканый углеродный каркас заготовки.

Решение выше приведенной системы математических моделей осуществлялось методом конечных объемов и методом конечных элементов. Моделирование проводилось с помощью решателей ANSYS CFX и FLUENT с использованием языков программирования CEL, FORTRAN и С++ для задания необходимых граничных условий по макро- и микрокинетике и массообмену. Число итераций на каждом временном шаге (в диапазоне от 0,001 до 10 с) составляло не менее 40, для обеспечения хорошей сходимости. 6

Для математического моделирования использовалась следующая входная информация: теплофизиче-ские и оптические свойства заготовки из УУКМ до и после процесса осаждения; теплофизические и оптические свойства материалов теплового блока печи, оснастки, а также реакционной среды; технологические параметры и режимы; кинетика химических реакций; микроструктура материала и его поро-граммы.

При математическом моделиро- рис. 1. Геометрическая модель нагрева-вании процесса осаждения были тельного блока и газофазного реактора с введены следующие основные до- кромкой крыла МКА из УУКМ пущения: реакционная среда считалась оптически прозрачной; поверхности зон, участвующие в теплообмене излучением - серые (излучательная способность не зависит от длины волны); поверхности зон диффузно излучающие и диффузно поглощающие.

Решение сформулированной выше задачи разбивалось на три этапа. На первом - решалась задача сопряженного теплообмена в газофазном реакторе с заготовкой кромки крыла МКА из УУКМ при осаждении кар-бидокремниевой матрицы, на втором - задача массообмена в реакционном пространстве газофазного реактора, на третьем - задача тепло- и массообмена на микроуровне в поровом пространстве материала.

Граничные условия косвенно учитывали конвекцию с наружной поверхности газофазного реактора, тепловыделение нагревательных элементов при прямом пропускании через них тока, расход реагента ММС, мощность откачной системы, внутреннюю иерархию поровой микроструктуры.

Ниже представлены результаты моделирования теплообмена в промышленной установке газофазного осаждения для случая уплотнения тканого углеродного каркаса заготовки детали - кромки крыла МКА из УУКМ. Температурные поля на стадии уплотнения карбидом кремния на установившемся режиме представлены на рис. 2. Перепады температур составили: по толщине теплоизоляции - от 570 до 700 К; по высоте зоны нагрева при газофазном насыщении - не более 2-10 К; по высоте реактора - не более 2 К. Распределение температуры по заготовке кромки крыла МКА оказалось равномерным и перепад на внешней поверхности не превысил одного градуса (рис. 3). Полученные результаты свидетельствуют об относительной однородности температурных полей, формирующихся во время газофазного осаждения карбидокремниевой матрицы.

Temperature

Temperature

.SSfie+002 .B63e+002 . B62e.002 .861e+002 . 860e+002 .SE9e*0Q2 . 858e 4-002 . 8SSe+002 t.85?e+002 , 856e*0Q2 .855e+002 .85fle+002 .853e+002 i.852e+002 .SSIe+002 .850e+082

Рис. 2. Температурные поля в нагревательном блоке установки при газофазном осаждении карбидо-кремниевой матрицы, К

Рис. 3. Температурные поля в заготовке кромки крыла МКА из УУКМ при газофазном осаждении карбидо-кремниевой матрицы, К

На втором этапе вычислительный эксперимент позволил выявить ряд особенностей массообмена в реакционном пространстве. В камере газофазного реактора происходил распад реагента ММС с образованием водорода, карбидок-ремниевой матрицы на углеродном тканом каркасе и побочных продуктов гетерогенной химической реакции, массовая доля которых ничтожно мала. Реагент подавался через входные магистрали в реакторе, расположенные сверху. Побочные продукты реакции выводились через каналы в днище реактора в магистраль откачки. Расход реагента определялся в зависимости от габаритов конструкции и кинетики процесса. В результате в реакционной зоне образовывались характерные потоки реагента, которые обтекали конструкцию (рис. 4).

Перепады концентраций реагента ММС и завихрения в камере газофазного реактора могут стать причиной неравномерной кинетики протекания реакции в приповерхностном слое заготовки кромки крыла МКА из УУКМ (рис. 5) и формирования неоднородных концентрационных полей. Как следствие, образование карбидокремниевой матрицы в приповерхностных слоях материала (при допущении о равнодоступности реакционных поверхностей) из ММС будет происходить неравномерно как по высоте, так и по толщине, причем наибольшая скорость осаждения будет достигнута на передней кромке заготовки крыла, а наименьшая - в нижней части этой кромки. Результаты расчета показали, что скорость осаждения на внешней поверхности заготовки кромки крыла выше, чем на внутренней. Разброс скоростей осаждения по кромке крыла может составить до 17 %, что достаточно существенно.

Третий этап включал математическое моделирование тепло- и массообмена на микроуровне в поровом пространстве материала. На данном этапе формировался представительный микрообъем, корректно отображающий реальную микроструктуру материала. Построение такого микрообъема опиралось на структурные и порометрические исследования. Граничные условия по концентрационным полям ММС, по давлению, скорости обновления и температурно-

му состоянию в приповерхностном слое материала были получены на втором этапе для численного моделирования тепло- и массообмена в поровом пространстве материала. Температурные поля в поровом пространстве материала с разным типоразмером и геометрической структурой пор представлены на рис. 6 а. Перепады температур по толщине микрообъема составили от 0,1 до 0,9 К. Перепады температур по порам различного радиуса составили 0,1-0,3 К. Путем численного моделирования особенностей массообмена (рис. 6 б) удалось выявить характер и степень равномерности осаждения карбидокремниевой матрицы на стенках порового пространства, образованной по гетерогенной реакции распада.

Sic

Velocity

7.085G-001 2.886e-D01 176е-001 4.789е-002 1.951е-0.02 7.947е-003 3.237е-003 1.319е-003 5.372е-004 2.188е-004 ■915е-005 ■632е-005 1.479е-005 б.02бе-00б 2.455е-006 000е-00б [Ш SA-1]

Рис. 4. Поле скорости реагента в реакционной зоне, м/с

Рис. 6. Результаты моделирования тепло- и массообмена в поровом пространстве УУКМ: а - температурные поля, К; б - скорость осаждения карбидокремниевой матрицы на реакционные поверхности, кг/(м2-с)

Вследствие неравномерного образования матрицы в объеме материала могут быть преждевременно закупорены поверхностные поры до того, как

Рис. 5. Скорость осаждения карбидокремниевой матрицы в приповерхностном слое заготовки кромки крыла МКА из УУКМ, кг/(м2-с)

Sic

2.74?е-007

2.714е-007 2.680С-007 2.б4бе-007 2.61Se-007 2.583е-007 2.55?е-007 2.520е-007 2.489е-007 2.459е-007 2.429е-007 2.399С-007 2.370е-007 2.Д41е-007 2.312е-007 2.284е-007 2.25бе-007 Т)Л-2 sA-1J

каркас полностью уплотнится матрицей. Выравнивание температуры процесса приводит к более однородному распределению скорости осаждения по толщине каркаса. Однородность уплотнения каркаса определяется отношением скорости переноса ММС вглубь пористой среды к скорости гетерогенной химической реакции осаждения. При более высоких температурах скорость химической реакции значительно превышает скорость массообме-на. В результате ММС не успевает проникнуть во внутренние области каркаса, практически полностью разлагаясь во внешних слоях. При понижении температуры скорость разложения ММС и его перенос становятся соразмерными и в длительном процессе это приводит к более равномерному уплотнению каркаса и уменьшению общего уровня остаточной пористости в конструкции из УККМ.

В третьей главе исследованы механизмы и особенности деформирования, разрушения детали конструкции из УККМ при повторяющихся тепловых и механических нагрузках на макро и микроструктурном уровне на основе многомасштабного математического моделирования напряженно-деформированного состояния (НДС) кромки крыла МКА. Математическое моделирование НДС проводилось методом конечных элементов.

Исследования включали два этапа: анализ НДС кромки крыла на макроуровне с определением наиболее нагруженных областей концентраций напряжений под воздействием эксплуатационных нагрузок - скоростного напора, нагрева и вибраций, а УККМ моделировался без детализации реальной структуры; анализ НДС представительного элемента объема кромки крыла из УККМ на микроуровне с реальной геометрией структуры, на который действовали максимальные нагрузки, выявленные в результате расчета в областях концентраций напряжений на первом этапе, то есть моделирование выполнялось для областей возможного образования микротрещин и первичного разрушения.

При численном моделировании кромки крыла и представительного элемента объема вводился ряд допущений: влияние дефектов наноразмер-ного уровня в исходной структуре УККМ не учитывалось; микронапряжения в УККМ, вызванные технологией его производства, считались пренебрежимо малыми; расчет НДС осуществлялся в рамках механики сплошной среды, и, в частности, механики композитных сред; волокнистый тканый каркас рассматривался как упругое анизотропное тело, карбидокремниевая матрица — как хрупкое изотропное тело.

Расчеты позволили выявить области концентраций напряжений в кромке крыла: места крепления, перегибы в ребрах жесткости.

На выбор размеров представительного элемента объема УККМ оказывают влияния следующие факторы: реальная структура армирования, определенная путем микроструктурного анализа шлифа из образца-свидетеля УККМ с замером геометрических размеров пучков тканого нитяного каркаса с применением оптического микроскопа; тип плетения; степень влияния

краевых эффектов из-за приложения силовых граничных условий при численном моделировании.

Отличительной особенностью расчета на данном этапе являлся учет возможного растрескивания матрицы и волокнистого тканого каркаса в рамках механики разрушения. Замысел данной работы состоял в учете реальной геометрии структуры УККМ с построением представительного элемента объема и применения математических моделей механики разрушения к компонентам материала по критерию первичного растрескивания одного из компонентов: волокнистый тканый каркас моделировался по полиномиальной модели разрушения для 3D анизотропных материалов по критериям прочности, а матрица - по модели Джонсона-Холмквиста для хрупких керамик. Данные критерии использовались для каждого конечного элемента тканого углеродного каркаса и каждого конечного элемента матрицы. В случае выполнения одного из критериев по разрушению для какого-либо элемента, этот элемент исключался от последующего расчета, то есть появлялся своеобразный дефект (первичное растрескивание). Такой метод позволял прогнозировать места появления разрушений в процессе эксплуатации конструкции на уровне структуры УККМ, что достаточно актуально на стадии оценки ресурса и проектировании элементов конструкций МКА..

Расчет по конечно-элементной модели представительного элемента объема УККМ после приложения силовых граничных условий (импортированных из MSC.Nastran с проведением осреднения по группам узлов из-за различной степени дискретизации на макро и микроуровне) осуществлялся с помощью решателей ANSYS с использованием языков программирования APDL и Python для задания критерия разрушения карбидокремниевой матрицы и углеродного каркаса. Граничные условия импортировались через текстовый файл расширения *.dat с данными по перемещениям и напряжениям по группам выбранных узлов для переноса на конечно-элементную модель представительного элемента объема УККМ.

Размеры представительного элемента объема УККМ были выбраны следующими: 19x19x4,8 мм3, а размеры элемента подуровня -30x30x100 мкм3. Данный элемент подуровня использовался для оценки взаимодействия на уровне «жгут - матрица» и на уровне «волокно - матрица». Геометрическая модель элемента подуровня имела неупорядоченное армирование, характерное для волокон, расположенных в жгуте УККМ. Опыт расчетов показал, что использование более «крупного» по размерам представительного элемента объема нецелесообразно из-за увеличения количества конечных элементов и, как следствие, времени расчета. Уменьшение размеров представительного элемента объема вызывало увеличение влияния краевых эффектов и снижало корректность вычисленных максимальных напряжений.

Допускалось, что взаимодействие волокнистого тканого каркаса с матрицей, во время численного моделирования представительного элемента объема и подуровня УККМ, происходило по контактной границе «поверх-

ность — поверхность». Тип контакта - «rough» (контакт по шероховатым поверхностям с учетом возможного образования расслоения между поверхностями в зависимости от величины прикладываемой нагрузки и типа деформации). Жесткость контакта на каждой итерации пересчитывалась в пределах от полной совместной работы (жесткая связь «узел-узел») до раздельного деформирования. Данный тип контакта использовался для учета возможного несовместного деформирования тканого каркаса и матрицы во время нагружения и позволял учитывать те расслоения между ними, которые возникают в реальном УККМ по границе раздела «волокно-матрица» с учетом адгезионного характера взаимодействия. В расчете представительного элемента объема и подуровня не учитывались напряжения, порожденные краевым эффектом.

Численное моделирование представительного элемента объема УККМ с реальной геометрией, позволило: оценить роль и характер распределения напряжений в материале под действием эксплуатационных нагрузок; выявить локальные концентрации напряжений; определить напряжения в материале, вызванные разными величинами KJITP наполнителя и матрицы; проанализировать поведение материала при воздействии нагрузок.

Результаты моделирования показали, что при воздействии нестационарных тепловых потоков в представительном элементе объема УККМ должны возникать неоднородные температурные поля как по толщине, так и в плоскостях армирования из-за различных коэффициентов теплопроводности компонентов УККМ. Температурные перепады должны приводить из-за разности KJITP волокна и матрицы к возникновению существенных термонапряжений около границы раздела «волокно-матрица». Вследствие этого деформации имели ярко выраженный неоднородный характер, формировались области с большими деформациями растяжения, сжатия и сдвига. Неравномерное деформирование структуры вызвало значительные нормальные и касательные напряжения в жгуте, между волокнами и около границ раздела. Формировалось сложное НДС, которое приводило к появлению областей вероятного разрушения: места переплетения (перегиба) жгутов; области вдоль границ раздела «волокно — матрица»; области в карби-докремниевой матрице (см. рис. 7, 8).

Для оценки корректности результатов расчета по характеру и типу разрушения УККМ на микроуровне, полученных с помощью предложенного математико-алгоритмического аппарата, проведены испытания 12 образцов, изготовленных на основе углеродной ткани УТ-900П. С помощью численного моделирования испытания на растяжение удалось определить область и характер разрушения, а также спрогнозировать поведение образца из УККМ под нагрузкой. Установлено, что расчетные данные хорошо соотносятся с экспериментальными и погрешность в оценке деформаций образца не превышает 4,7 %.

OAMAGE (nenej

Рис. 7. Области вероятного растрескивания в карби-докремниевой матрице представительного элемента объема УККМ кромки крыла

В диссертации проведены исследования образования и развития дефектов в УККМ при повторяющихся тепловых нагрузках. Термоциклические испытания на воздухе в режиме нестационарного теплообмена неравномерно нагретого образца из УККМ проводились на автоматизированной установке радиационного нагрева УТРО-6 в ФГУП «ОНПП «Технология».

В ысокотемператур-ные изменения структуры УККМ исследовались на рентгеновском ди-фрактометре D8

ADVANCE.

D »MAGE (попе)

ЕР 2.460*01

Нг 2.361 е-01

11 2.263е-01

2.164 е-01

2.0669-01

— 1.9S3e-01

— 1.089е-01 1.771О-01

— 1.672е-01

— 1.5743-01

— J.476e-01

— 1 .Э77е-01

■ _!.27Эе-0)

1.181 е-01

— 1.О02е-О1

ш 9.638е-02 8 854е-02

— 7.B70S-O2

— 6.687е-02

5.S03e-02

s 4.919е-02

1 3.935е-02

1 2.9510-02

i 1,968е-02

1 9.838е-03

О::; 0.000е+00

Рис. 8. Области вероятного растрескивания в углеродном каркасе представительного элемента объема и подуровне УККМ кромки крыла

Выявлено, что при температуре 1223 К происходил структурный переход частично аморфного матричного карбида кремния в кристаллический - это заметно по изменению гало областей дифрактограмм. С превышением температуры 1373 К начиналось образование кристаллического карбида кремния. По

характеру поведения подложки было выявлено, что возникает смещение структурных пиков вследствие температурного расширения и значительной анизотропии КЛТР. Кроме того, установлено, что незначительное изменение объема карбида кремния связанно с перестройкой аморфной составляющей. Данные наблюдения, результаты экспериментальных исследований по характеру поведения матричного материала и углеродного каркаса подтвердили результаты численного моделирования с использованием разработанного математико-алгоритмического аппарата.

Четвертая глава посвящена результатам экспериментальных исследований по апробации установленных закономерностей и корректности математических моделей. Для экспериментов использовалась установка СГВ 10.13/8 ОАО «Композит». При сопоставлении экспериментальных и расчетных данных по моделируемым диапазонам пор установлено, что погрешность по оценке интегрального распределения объема пор по их радиусам в диапазоне мезо- и макропор и дифференциального распределения объема пор по их радиусам в диапазоне мезо- и макропор составляет не более 8%. Тем самым было показано, что разработанное математико-алгоритмическое обеспечение позволяет с необходимой степенью точности рассчитывать тепло- и массообмен в газофазных реакторах и, как следствие, обосновывать технологические параметры для производства деталей многоразовых крупногабаритных ракетно-космических конструкций из УККМ с заранее прогнозируемыми свойствами.

Микроструктурные исследования УККМ позволили не только установить дефектные структуры, возникающие в УККМ на этапе производства, но и проанализировать особенности формирования многоуровневой микроструктуры и ее характер, получить информацию для выделения и построения представительных элементов объема и подуровня материала. В итоге приведены рекомендации по производству деталей крупногабаритных конструкций многоразового применения из УККМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе поставлены и проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на совершенствование методов производства деталей крупногабаритных ракетно-космических конструкций из УККМ в газофазных технологических реакторах. При этом:

1. Впервые установлены закономерности уплотнения карбидом кремния низкоплотного углерод-углеродного композиционного материала, позволяющие уменьшить конечную остаточную пористость до 8% и увеличить структурную однородность конструкций из УККМ по геометрическим размерам (по высоте, длине, толщине) на 12%. Показано, что с увеличением температуры процесса с 873 К до 1000 К при давлении в реакторе 100 Па время процесса уплотнения может быть сокращено на 28%. С увеличением общего давления в реакторе от 5 Па до 100 Па (путем увеличения концентрации ММС) при температуре 1000 К можно уменьшить время процесса на 34%.

2. Для рационального построения процессов газофазного уплотнения при производстве деталей крупногабаритных конструкций из УККМ в натурных 14

технологических установках, проектирования газофазных технологических реакторов, выбора конструктивно-компоновочных схем технологических установок предложена система математических моделей тепло- и массообмена, реализованная с использованием современных программных комплексов.

3. Выполнены экспериментальные исследования на натурной технологической установке для оценки корректности разработанного математико-алгоритмического обеспечения. Проведено сопоставление экспериментальных и расчетно-теоретических данных по моделируемым диапазонам пор и показано, что погрешность интегрального и дифференциального распределения объема пор по их радиусам в диапазоне мезо- и макропор составляет не более 8%.

4. Впервые исследованы особенности деформирования и разрушения на макро- и микроструктурных уровнях конструкций из УККМ во время воздействия эксплуатационных нагрузок на основе разработанного математико-алгоритмического аппарата. Определен характер взаимодействия на уровне «волокно-матрица» с учетом адгезии, выявлены области появления первичных дефектов в материале на микроуровне, такие как места переплетения жгутов, области вдоль границ раздела «волокно-матрица», приповерхностные области в карби-докремниевой матрице.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

1. Михайловский К.В. Численное моделирование процессов тепломассообмена при газофазном методе получения кромки крыла МКА из углерод-керамического композиционного материала C-SiC // Аэрокосмические технологии: Труды 2-й международной научно-технической конференции. - Реутов, 2009.-С. 119-121.

2. Михайловский К.В. Многостадийное моделирование теплофизических процессов на стадии газофазного насыщения при получении кромки крыла МКА из углерод-керамического композиционного материала C-SiC // Будущее машиностроения России: Сборник трудов 2-й Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. - М., 2009. - С. 190-191.

3. Михайловский К.В., Резник C.B. Моделирование процессов тепломассообмена при получении конструкций из керамоматричных композиционных материалов по газофазной технологии // Будущее машиностроения России: Сборник трудов 3-й Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. -М., 2010.-С. 250-251.

4. Михайловский К.В. Исследование процессов деформации и разрушения представительного элемента объема кромки крыла МКА из углерод-керамического композиционного материала на микроуровне под воздействием нагрузки // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: Сборник материалов 3-й международной конференции / Под общ. ред. акад. O.A. Банных. - М., 2009. - Т. 2. - С. 48-50.

5. Михайловский К.В. Моделирование процессов деформации и разрушения керамоматричных композиционных материалов под воздействием нагрузки // Физико-химия и технология неорганических материалов: Труды 7-й

Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов.-М., 2010.-С. 158-159.

6. Михайловский К.В., Резник C.B., Соколов А.П. Особенности моделирования процессов разрушения композиционного материала С—SiC на макро и микро структурном уровне // Необратимые процессы в природе и технике: Труды 6-й Всероссийской конференции. - М., 2011. - Ч. 1. — С. 223-226.

7. Михайловский К.В., Резник C.B. О комплексном методе оценки работоспособности конструкций многоразового использования из керамоматричных композиционных материалов // Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды 34-х Академических чтений по космонавтике. - М., 2010. - С. 52-53.

8. Михайловский К.В., Резник C.B. Математическое моделирование теп-лофизических процессов в технологических реакторах для получения композитных конструкций из углерод-керамического материала // Перспективные материалы. - 2010. — № 9а, специальный выпуск. - С. 82-88.

9'. Михайловский К.В., Тимофеев И.А. Моделирование процессов тепло и массопереноса в процессе химического осаждения из газовой фазы Si-C—N—H // Перспективные материалы. - 2010. - № 9а, специальный выпуск. - С. 89-95.

10. Опыт комплексного исследования теплофизических и оптических свойств углеродсодержащих композиционных материалов / К.В. Михайловский [и др.] // Перспективные материалы. - 2010. - № 9а, специальный выпуск. -С. 114-121.

11. Михайловский К.В., Резник C.B., Тимошенко В.П. О методе контроля высоких температур в технологических реакторах для производства композитных конструкций // Перспективные материалы. - 2010. — № 9а, специальный выпуск.-С. 154-159.

12. Михайловский К.В. Исследование напряженно-деформированного состояния крупногабаритной конструкции из углерод-керамического композиционного материала C-SiC на макро и микроструктурном уровне при воздействии эксплуатационной нагрузки // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2010. - № 11. - С. 17-22.

13. Михайловский К.В., Резник C.B., Юрченко С.О. Прогнозирование зарождения и эволюции дефектов в материалах композитных конструкций многоразовых космических аппаратов на основе многомасштабного математического моделирования // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приборостроение. -2010. - Специальный выпуск. Наноинженерия. - С. 30-43.

14. Михайловский К.В., Резник C.B., Тимофеев И.А. Моделирование процессов химического осаждения и тепломассообмена на макро- и микроуровнях при газофазном методе получения деталей из углерод-керамических композиционных материалов // Конструкции из композиционных материалов. — 2011.— № 1. - С. 18-30.

15. Михайловский К.В. Моделирование многостадийного технологического процесса получения углерод-керамических композиционных материалов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 3. - С. 45-47.

Подписало к печати 31.08.11. Заказ №602 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

ВВЕДЕНИЕ."

Глава !: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ ПРОИЗВОДСТВА ТЕРМОСТОЙКИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕРОД

КЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Волокнистые наполнители и схемы армирования углерод-керамических композиционных материалов

1.1.1. Волокнистые наполнители и характер их микроструктуры

1.1.2. Схемы армирования углерод-керамических композиционных материалов . —.1. 19р

1.2. Особенности технологий формирования матриц и их структура в углерод-керамических композиционных материалах.

1.3. Особенности проектирования и производства конструкций из УККМ.,.:.

1.4. Предпосылки для моделирования технологических процессов тепло- имассообмена при производстве конструкций из УККМ.

1.5; Формулировка;целишзадач

Глава 21 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНАПРИГАЗОФАЗНОММЕТОДЕ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИЙ Ш .:.

2.1. Типовая схемаустановки для производства деталей из УККМ.;.;.

2.2. Особенности формирования матрицы газофазным методом в УККМ.;.

2.3; Постановка задачи математического моделирования. 50 ]

2.4. Конвектив11ый тепло-и массообмен; с учетом химических реакций в.камере газофазного реактора.:

2.5; Перенос тепла излучением в камере газофазного реактора . 66 '

2.6. Моделирование процесса осаждения карбида кремния на углеродном каркасе.

2.7.Численное моделирование процессов тепло- и массообмена с учетом химической кинетики на макро- и микро- уровне при газофазном методе производства деталей из УККМ.

Глава 3. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ В ДЕТАЛЯХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УККМ ПРИ ПОВТОРЯЮЩИХСЯ ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ.

3.1. Вычислительная стратегия

3.2. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния детали из УККМ на макроуровне

3.3. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния представительного элемента объема УККМ на микроуровне.

3.4. Экспериментальные исследования образования и развития дефектов в УККМ при повторяющихся механических и тепловых нагрузках.

Глава4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ УККМ ГАЗОФАЗНЫМ МЕТОДОМ

4.1. Методика постановки и результаты проведения экспериментов в промышленной газофазной установке СГВ 10.13/8.

4.2. Результаты структурных исследований.

4.3. Рекомендации по производству конструкций многоразового применения из УККМ.

Актуальность работы. Композиционные материалы (КМ) обладают широкими перспективами использования в авиационной и ракетно-космической технике благодаря ценному сочетанию механических, теплофизических, радиотехнических и других свойств. î

В настоящее время в ракетно-космической технике востребованы конструкции КМ, способные работать в широком интервале температур! и давлений без изменения формы и размеров, потери теплозащитных характеристик. Производство таких КМ необходимо в связи с. созданием нового поколения пилотируемых и беспилотных многоразовых космических аппаратов (МКА), совершающих полет с высокими скоростями в атмосфере. Магистральное решение вопросов тепловой защиты; MKAj состоит в использовании так называемых «горячих» конструкций, которые сочетают в ; себе силовые и теплозащитные функции благодаря г интеграции углерод-керамических КМ (УККМ) с легкими керамическими теплоизоляторами. По этой схеме из УККМ выполнены опытные конструкции носовых обтекателей, передних кромок крыльев, панелей корпуса и управляющих поверхностей МКА «Hermes» (ESA), Х-38 (США) и «Hopper» (EADS Company).

В новых конструкциях ракетных двигателей-многократного запуска с повышенной до десятков минут длительностью работы также предполагается? применять крупногабаритные сопла и выдвижные насадки из УККМ.

В УККМ керамическая« матрица обладает высокой термостойкостью, а углеродный каркас обеспечивает необходимую прочность и жесткость. Основные преимущества УККМ - высокая термостойкость, сравнительно малая плотность, высокие прочностные и жесткостные свойства, низкий коэффициент линейного термического расширения (KJ1TP), стойкость к окислению.

В конце 60-х, начале 70-х годов прошлого века фирмы Du Pont, AVCO, Gudrich (все США), SEP (Франция), Dunlop (Великобритания), MAN Technology (Германия) освоили производство конструкций из углеродуглеродных КМ (УУКМ). Из таких КМ изготовлены носовой кок и передние кромки крыльев МКА «Space Shuttle». В нашей стране конструкции из УУКМ ГРАВИМОЛ были применены для тех же целей на корабле «Буран». Летная эксплуатация аппаратов- типа «Space Shuttle» выявила серьезные проблемы стойкости УУКМ к механическим повреждениям в условиях интенсивного аэродинамического'нагрева при входе в атмосферу, даже с применением эрози-онностойких покрытий; Особо отчетливо эти проблемы проявились при катастрофе MICA «Columbia» в феврале 2003 г в результате разрушения кромки крыла.-Анализ причин катастрофы сопровождался четырехлетними исследованиями КМ и конструкций^ направленньши на повышение их термостабильности и несущей способности.

Необходимые качества конструкции из УККМ формируются в процессе ее производства, поэтому актуальна постановка всесторонних многомасштабных исследований влияния технологических факторов (режимы, прекурсоры, рабочие среды и др.) на структурные характеристики и физические свойства материалов в? широком диапазоне эксплуатационных параметров. Для управления качеством конструкций из УККМ необходимо анализировать технологические особенности их производства; прогнозировать закономерности формирования матричного материала в поровом пространстве зтлерод-углеродных заготовок,, связывая это с причинами образования-различного рода дефектов и их эволюцией не только на стадиях производства УККМ, но и в процессе эксплуатации.

Повышению стойкости УККМ к действию многократных нагрузок может способствовать детальная отработка технологических параметров процесса производства конструкций; с. необходимой структурной однородностью материала. Однако, на основе интуитивно-эмпирических приемов оптимизировать технологические параметры процесса, гарантирующие производство конструкций из УККМ требуемого качества, нельзя без* больших затрат времени и средств. Опираясь лишь на экспериментальные данные, трудно обеспечить, даже корректный перенос технологических параметров с лабораторных установок на промышленные в силу сложности протекающих физико-химических явлений. Велика вероятность производства некачественных крупногабаритных конструкций из УККМ. С другой стороны, теоретические подходы к проектированию производственных технологий подразумевают создание нового или освоение имеющегося математико-алгоритмического и программного обеспечения. Нельзя сказать, что это простая задача, но ее решение способно многократно повысить эффективность работ по производству крупногабаритных конструкций многоразового применения из УККМ. В силу сложности теоретического решения рассматриваемой задачи наиболее эффективным представляется настройка и использование одного из современных комплексов, таких как ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, CFD АСЕ, FLOW 3D.

Цель работы состоит в повышении качества, сокращении сроков и снижении материальных затрат при изготовлении крупногабаритных деталей ракетно-космических конструкций из углерод-керамических композиционных материалов.

Тема диссертации отвечала планам работ по реализации задач: Федеральной космической программы РФ на 2006-2015 гг., государственного заказа на 2006 г. (постановление Правительства РФ от 29.12.2005 № 825-50) - НИР «Композиция»; раздел 1, ОКР «Материал»; государственного оборонного заказа на 2009 г. и на плановый период 2010-2011 гг. (постановление Правительства РФ от 29.12.2008 № 1036) - ОКР «Кернит»; Федеральной целевой программы «Разработка, восстановление и организация производства стратегических, дефицитных и импортозамещающих материалов и малотоннажной химии для вооружения, военной и специальной техники на 2009-2011 гг. и на период до 2015 г.», раздел 2 (постановление Правительства РФ от 11.09.2008 № 658-25) — НИР «Янус». Отдельные результаты получены при финансовой поддержке по проектам № 2.1.2/5865 и № 2.1.2/11304 аналитической ведомственной целевой программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)», а также по грантам РФФИ № 06-08-01516-а, 08-08-01065-а, 09-08-00607-а.

Научная новизна диссертации

1. Впервые изучены закономерности уплотнения матричным материалом порового пространства УККМ в диапазоне температур от 873 до 1000 К и дав! лений от 5 до 100 Па для производства деталей конструкций многоразового применениях повышенной на Л 2% структурной однородностью по геометрическим размерам (по высоте, длине, толщине) на основе разработанной системы многоуровневых математических, моделей комбинированного тепло- и массо-обмена, происходящих в газофазных технологических реакторах.

2. Обоснованы и реализованы новые режимы производства деталей конструкций из УККМ в натурных технологических установках на основе разработанного математико-алгоритмического обеспечения и интеграции программных комплексов для моделирования технологического процесса газофазного уплотнения.

3. Впервые исследованы механизмы и особенности деформирования, разрушения деталей ракетно-космических конструкций многоразового применения- изг УККМ на- макро- и микроуровне во время- воздействия эксплуатационных нагрузок с использованием разработанного математико-алгоритмического -аппарата, которые позволили установить характер взаимодействия на уровне «волокно-матрица» с учетом их адгезии.

Практическую ценность имеют следующие результаты: методика математического моделирования комбинированного тепло- и массообмена в газофазных реакторах при производстве деталей конструкций из УККМ, которая позволяет не только оптимизировать технологические параметры, режимы и прогнозировать особенности уплотнения матричным материалом порового пространства материала, но и проектировать реакторы разномасштабных установок газофазного осаждения; рекомендации по организации производства крупногабаритных ракетно-космических конструкций из УККМ, способствовавшие повышению производительности на 15%, уменьшению на 25% энергоемкости процесса газофазного1 осаждения карбидокремниевой матрицы, повышению структурной однородности конструкций из УККМ по геометрическим, размерам (по высоте, длине, толщине) на 12% и, как следствие, увеличению окислительной и эрозионной стойкости материала.

Указанные результаты использованы в НИР и ОКР в ОАО «Композит» и учебном процессе в МГТУ им. Н.Э. Баумана, что отражено в соответствующих актах о внедрении.

Достоверность результатов исследований гарантируется корректностью выбора исходных допущений при постановке задач, адекватностью применяемых моделей физико-химических явлений, строгостью использования современного математического аппарата, а также сравнением с экспериментальными данными.

Первая глава носит обзорно-аналитический характер. В ней систематизированы и обобщены литературные данные по структурным и физико-механическим особенностям углеродных волокон, типах армирования и приемах получения! матричного материала УККМ. Кратко описаны области применения УККМ-в конструкциях МКА. Проведен критический анализ имеющихся алгоритмов для. математического моделирования газофазных технологических процессов. Сформулирована цель и задачи работы.

Во второй главе представлены выявленные закономерности уплотнения матричным материалом порового пространства заготовки при производстве деталей ракетно-космических конструкций из УККМ в газофазном реакторе; полученные с использованием многоуровневых математических моделей тепло- и массообмена. Определено влияние технологических параметров процесса на равномерность осаждения карбидокремниевой матрицы на макро- и микроуровне; на основе результатов численного моделирования тепло- и массообмена с учетом химической макро-и микрокинетики.

В третьей главе исследованы механизмыш> особенности деформирования, разрушения детали конструкции из УККМ при повторяющихся тепловых и механических нагрузках на- макро и микроструктурном уровне на основе многомасштабного? математического моделирования- напряженно-деформированного состояния (НДС) кромки? крыла МКА., Представлены результаты экспериментальных исследований образцов из УККМ при воздействии механических и тепловых нагрузок. . \

Четвертая глава посвящена результатам экспериментальных исследований по апробации установленных закономерностей и корректности математических моделей. Для экспериментов использовалась установка СРВ 10.13/8 ОАО «Композит». Приведены, данные по микроструктурным исследованиям УККМ для анализа дефектных структур, возникающих в УККМ на этапе производства. Микроструктурные исследования« УККМ позволили не только установить дефектные структуры, возникающие в УККМ на этапе производства,. но и проанализировать особенности формирования многоуровневой^ микроструктуры Ич ее характер, получить информацию для выделения и построения представительных элементов объема и подуровня материала. В итоге приведены рекомендации по производству деталей крупногабаритных конструкций многоразового применения из УККМ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе поставлены- и проведены теоретические и* экспериментальные исследования, направленные на совершенствование методов производства деталей крупногабаритных ракетно-космических конструкций из УККМ в газофазных технологических реакторах. При этом:

1. Впервые установлены закономерности уплотнения карбидом кремния низкоплотного углерод-углеродного композиционного материала, позволяющие уменьшить конечную остаточную пористость до 8% и увеличить структурную однородность конструкций из УККМ по геометрическим размерам (по высоте, длине, толщине) на 12%. Показано, что с увеличением температуры процесса с 873 К до 1000 К при давлении в реакторе 100 Па время процесса упi лотнения может быть сокращено на 28%. С увеличением общего давления в реакторе от 5 Па до 100 Па (путем увеличения концентрации ММС) при температуре 1000 К можно уменьшить время процесса на 34%.

2. Для рационального построения процессов газофазного уплотнения при производстве деталей крупногабаритных конструкций из УККМ в натурных» технологических установках, проектирования газофазных технологических реакторов, выбора конструктивно-компоновочных схем технологических установок предложена система математических моделей тепло- и массообмена, реализованная с использованием современных программных комплексов.

3: Вьшолнены экспериментальные исследования на натурной технологической установке для оценки корректности разработанного математико-алгоритмического обеспечения. Проведено сопоставление экспериментальных и расчетно-теоретических данных по моделируемым диапазонам пор и показано, что погрешность интегрального и дифференциального распределения объема пор по их радиусам в диапазоне мезо- и макропор составляет не бол ее, 8%.

4. Впервые исследованы особенности деформирования и разрушения на макро- и микроструктурных уровнях конструкций из УККМ во время воздействия эксплуатационных нагрузок на основе разработанного математико-алгоритмического аппарата. Определен характер взаимодействия на уровне «волокно-матрица» с учетом адгезии, выявлены области. появления первичных дефектов в материале на микроуровне, такие: как места переплетения жгутов, области вдоль границ раздела «волокно-матрица», приповерхностные области в карби-докремниевой матрице.

159

1. Перепелкин К.Е. Волокна химические. Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1988. Т.1. — С. 413-416.

2. Roberts Т. The Carbon fiber industry: Global strategic market evaluation 2006-2010 // Materials Processing Technology. 2006. - Vol. 5. - P. 93-177.

3. Chung D.L. Carbon Fiber Composites. Boston: Butterworth-Heinemann, 1994.- 465 p.

4. Kobets L.P., Deev I.S. Carbon fibers: Structure and mechanical properties // Composite Science and Technology. -1997. No. 57. - P. 1571-1580.

5. Goodhew P J., Clarke A .J., Bailey J.E. Review of fabrication and properties of carbon-fibers // Materials Science and Engineering. — 1975. No. 17. - P. 3—30.

6. Костиков В.И., Варенков A.H. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. M.: Интермет Инжиниринг, 2003. - 560 с.

7. Savage G. Carbon-Carbon Composites. — London: Chapman & Hall, 1993. — 388 p.

8. Carmichael A. Markets in industrial fibers — aramide and other high performance fibers // Chemical Fibers International. 2007. - No. 1/2. - P. 39-40.

9. Carmichael A. Global market trends for synthetic industrial yarns // Chemical Fibers International. 2009. - No. 3. - P. 128-129;

10. Лысенко А.А. Тенденции формирования мирового рынка углеродных волокон // Технический текстиль. — 2005. № 12. - С. 33—37.

11. Перепелкин К.Е. Структура и свойства волокон. М.: Химия, 1985. -208 с.

12. Перепелкин К.Е. Физико-химические процессы формования химических волокон. — М.: Химия, 1978. — 320 с.

13. Перепелкин К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. — СПб.: Научные основы и технологии, 2009. — 380 с.

14. Тканые конструкционные композиты / Пер. с англ. Ю.М. Тарнополь-ского; Под ред. Т.В. Чу, Ф. Ко. М.: Мир, 1991. - 430 с.

15. Свойства и особенности переработки химических волокон / Под ред. А.Б. Пакшвера. М.: Химия, 1975. - 496 с.

16. Foume F. Synthetic fibers. Miinchen: Carl Hanser Ferlag, 1999. - 810 s.

17. Марихин В.А., Мясникова JI.П. Надмолекулярная структура полимеров. Л.: Химия, 1977. - 240 с.

18. Берестнев В.А., Флексер Л.А., Лукьянова Л.М. Макроструктура волокон и элементарных нитей и особенности их разрушения. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 248 с.

19. Роговин З.А. Основы химии и технологии химических волокон. М.: Химия, 1974. Т. 1.-520 с.

20. Будницкий Г.А. Армирующие волокна для композиционных материалов // Химические волокна. 1990: - № 2. - С. 5-13.

21. Donnet J.B., Bansal R.C. Carbon Fibers // Materials. 1990. - No. 2. -P. 145.

22. Johnson W., Watt W. Structure of high modulus carbon fibres // Nature. -1967. -No. 215. -P. 384-386.

23. Wicks B.J. Microstructural disorder and the mechanical properties of carbon fibers // Nuclear Materials 1975." - No. 56. - P. 287-296.

24. Edie D.D. The effect of processing on the structure and properties of carbon fibers // Carbon. -1998. Vol. 36. - P. 345-362.

25. Reynolds W.N., Sharp J.V. Crystal shear limit to carbon fiber strength //Carbon.-1974.-Vol. 12.-P. 103-110.26: Dobb M.G., Johnson D.J., Park C.R. Compressional behavior of carbon-fibers // Materials Science. 1990. - No. 25. - P. 829-834.

26. Diefendorf R.J., Tokarsky E. High-performance carbon fibers // Polymer Engineering and Science. 1975. -No. 15. - P. 150-159.

27. Мэттьюз Ф., Ролингс P. Композитные материалы. Механика ^технология. М.: Техносфера, 2004. - 408 с.

28. Perret R., Ruland W. The microstructure of PAN-base carbon fibres // Applied Crystallography. 1970. - No. 3. - P. 525-532.

29. Guigon M., Oberlin A. Preliminary studies of mesophase-pitch-based carbon fibers: Structure and microtexture // Composite Science and Technology. 1986. -No. 25.-P. 231-241.

30. Gerald J.D., Pennock G.M., Taylor G.H. Domain structure in MP (meso-phase pitch)-based fibres // Carbon. 1991. - Vol. 29. - P. 139-164.

31. Huang Y., Young R.J. Effect of fiber microstructure upon the modulus of PAN- and pitch-based carbon fibers // Carbon. 1995. - Vol. 33. - P. 97-107.

32. Endo M. Structure of mesophase pitch-based carbon fibres // Materials Science. 1988. - No. 23. - P. 598-605.i 2

33. Henrici-Olive G., Olive S. The chemistry of carbon fiber formation from polyacrylonitrile // Advances in Polymer Science. 1983. - No. 51. - P. 1-60.

34. Masahiro T., Takeji O., Takashi F. Preparation of acrylonitrile precursor for carbon fiber. Japan patent 59204914, 1984.

35. Daumit G.P., Ko Y.S., Slater C.R. Formation of melt-spun acrylic fibers possessing a highly uniform internal structure which are particularly suited for thermal conversion to quality carbon fibers. US Patent 4935180, 1990.

36. Daumit G.P., Ko Y.S., Slater, C.R. Formation of melt-spun acrylic fibers which are well suited for thermal conversion to high strength carbon fibers. US Patent 4933128, 1990.

37. Grove D., Desai P., Abhiraman A.S. Exploratory experiments in the conversion of plasticized melt spun PAN-based precursors to carbon fibers // Carbon. — 1988. Vol. 26. - P. 403-411.

38. Kotasthane P., Edie D.D., Ogale A.A. UV stabilization route for melt-processible PAN-based carbon fibers // Carbon. 2003. - No. 41. - P. 1399-1409:

39. Imai K., Sumoto M., Miyahara N. Process for preparing carbon fibers of high strength. US Patent 4902762,1990.

40. Ohsaki T., Imai K., Miyahara N. Process for preparing a carbon fiber of high strength. US Patent 4925604,1990.

41. Hirotaka S., Hiroaki K. Manufacturing process of isotactic copolymer for carbon fiber precursor. Japan patent 2006016482,2006.

42. Kuwahara H., Suzuki H., Matsumura S. Polymer for carbon fiber, precursor. US Patent 7338997, 2008.

43. Shiromoto K., Adachi Y., Nabae K. Process for producing carbonfiber. US Patent 4944932; 1990.

44. Masaki T., Komatsubara T., Tanaka Y. Finish for carbon fiber precursors. US Patent 5783305, 1998.

45. Standage A., Matkowshi, R. Thermal oxidation of polyacrylonitrile // European Polymer. 1971. - No. 7. - P. 775-783.

46. Yoshinori N., Takamaro K., Keitarou F. Process for producing carbon fibers. United Kingdom Patent 1500675, 1978.

47. Hamada M., Hosako Y., Yamada T. Acrylonitrile-based precursor fiber for the formation of carbon fiber, process for preparing same, and carbon formed from same. US Patent 6326451, 2001.

48. Raskovic V., Marinkovic S. Temperature dependence of processes during oxidation of PAN fibres // Carbon. 1975. - Vol. 13. - P. 535-538.

49. Raskovic V., Marinkovic S. Processes in sulfur dioxide treatment of PAN fibers // Carbon. 1978. - Vol. 16. - P. 351-357.

50. Deurberque A., Oberlin A. Stabilization and carbonization of PAN-based carbon fibers as related to mechanical properties // Carbon. 1991. - Vol. 29. -P. 621-628.

51. Turner W.N., Johnson F.C. Method of manufacturing carbon articles. US Patent 3767773, 1973.

52. Gump K.H., Stuetz D.E. Stabilization of acrylic fibers and films. US Patent 4004053,1977.

53. Kishimoto S., Okazaki S. Process for producing carbon fibers. US Patent 4009248, 1977.

54. Kishimoto S., Okazaki S. Process for producing carbon fibers having excellent properties. US Patent 4024227, 1977.

55. Riggs J.P. Thermally stabilized acrylic fibers produced by sulfation and heating in an oxygencontaining atmosphere. US Patent 3650668,1972.

56. Ko T.H., Yieting H., Lin C.H. Thermal stabilization of polyacrylonitrile fibers // Applied Polymer Science. 1988. - No. 35. - P. 631-640.

57. Shiedlin A., Marom G., Zillkha A. Catalytic initiation of polyacrylonitrile stabilization // Polymer. 1985. -No. 26. - P. 447-451.

58. Barr J.B., Chwastiak S. High modulus carbon fibers from pitch precursors // Applied Polymer Science. 1976. - No. 29. - P. 161-173.

59. Otani S. On the carbon fiber from the molten pyrolysis products // Carbon. —1965. — Vol. 3. P. 31-38.

60. Otani S., Yamada K. On the raw materials of MP carbon fiber // Carbon. —1966. Vol. 4. - P. 425-432.

61. Singer L.S. High modulus, high strength carbon fibers produced from meso-phase pitch. US Patent 4005183,1977.

62. Lewis I.C. Process for producing carbon fibers from mesophase pitch. US Patent 4032430, 1977. •

63. Chwastiak S., Lewis I.C. Solubility of mesophase pitch // Carbon. 1978. -Vol. 16.-P. 156-157.

64. Fu T.W., Katz M. Process for making mesophase pitch. US Patent 4999099, 1991.

65. Bolanos G., Liu G.Z., Thies M.C. Producing a carbon fiber precursor by supercritical fluid extraction // Fluid Phase Equilibria. 1993. - No. 82. - P. 303-310.

66. Diefendorf R.J., Riggs D.M. Forming optically anisotropic pitches. US Patent 4208267, 1980.

67. Angier D.J., Barnum H.W. Neomesophase fonnation. US Patent 4184942, 1980.

68. Yamada Y., Honda H., Inoue T. Preparation of carbon fiber. Japan' Patent 58018421,1983.

69. Otani S. Dormant mesophase pitch. Japan Patent 57100186, 1982.

70. Kalback W., Romine E., Bourrat X. Solvated mesophase pitches. US Patent 5259947,1993.

71. Romine E., Rodgers J., Nanni E. Solvating component and solvent system 1 for mesophase pitch. US Patent 6717021,2004.

72. Yamada Y., Imamura T. Method for the preparation of pitches for spinning carbon fibers. US Patent 4606808, 1986.

73. Seo I., Sakaguchi Y., Kashiwadate K. Process for producing carbon fibers and the carbon fibers produced by the process. US Patent 4863708, 1989:

74. Seo I., Oono Т., Murakami Y. Catalytic process for producing raw material pitch for carbon materials from naphthalene. US Patent 5066779,1991.

75. Preparation of mesophase pitch from aromatic-hydrocarbons by the aid of HF/BF3 /1. Mochida et. al. // Carbon. 1990. - Vol. 28. - P. 311-319.

76. Mesophase pitches prepared from methylnaphthalene by the aid of HF/BF3 / Y. Korai fet. al. // Carbon. 1991. -No. 29. -PI 561-567.78: Конкин A.A. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М.: Химия, 1974. - 376 с.

77. Левит P.M. Электропроводящие химические волокна. М.: Химия, 1986.-200 с.

78. Варшавский В.Я. Углеродные волокна. М.: Химия, 2005. - 467 с.

79. Грибанов А.В., Сазанов Ю.Н. Карбонизация полимеров (обзор) // Журнал прикладной химии. 1997. - № 3. - С. 23-26.

80. Ермоленко И.И., Люблинер И.П., Гулько Н:В. Элементсодержащие угольные волокнистые материалы. Минск: Наука и техника, 1982. — 272 с.

81. Сайт: Mitsubishi RAYON Co. LTD. (http://www.grafil.com).

82. Сайт: ZOLTEK (http://www.zoltek.com).

83. Сайт: Toray lndusMes, 1лс. (http://www.toray.com).

84. Сайт: HEXCEL (http://www.hexcel.com/).

85. Сайт: Toho Tenax (http://www.tohotenax:com).

86. Сайт: CYTEC (http://www.cytec.com).

87. Сайт: ООО «Аргон» (http://rus-carbon.ru/).90 » Сайт: 000;«Лирсот>> (http://www.advtech;na/lirsot/Wstory.htin).

88. Сайт: Светлогорское ПО«Химволокно» (http://www.sohim.by).92: Xiaosong H. Fabrication and! properties? of: carbon- fibers» // Materials. -2009:—No. 2: -P: 2369-2403';.

89. Mccabe M!V: Pretreatment of PAN fiber. US patent 4661336,1987.94: Mladenov I., Lyubekeva Mi Polyacrylonitrile fibers treated by hydrazine hydrate as a basis for the production of carbon fibers // Polymer Science. 1983. -No. 21.-P. 1223-1226.

90. Application of a high magnetic field in the carbonization process to increase the strength of carbon fibers / M:G. Sung et. al. // Carbon. 2002. - Vol. 40. -P. 2013-2020. . >

91. Pitch-based5 carbon? fiber; of high compressive, strength prepared* from synthetic isotropic pitch: containing mesophase spheres / F. Watanabe et. al. // Carbon. 1999. - Vol; 37. - P. 961-967. ,

92. Preparation of carbon fiber from: isotropic pitch containing: mesophase spheres/ Y. Kofui et. al. // Carbon.- 1997.-Vol. 35.-P. 1733-1737.

93. Kohn E.M. Use of hotbuoyant liquidtoiconvertpitch to continuous carbom filament. US patent 3972968, 1976.

94. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев и др.; Под. ред. В:В. Васильева, Ю.М: Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. — • • 512 с. .'■'■ '

95. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология;ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов; — М.: Изд-во МГТУ им;, Н.Э. Баумана, 1998. 516 с.

96. Кукин Г.Н., Соловьев А.Н., Кобляков А.И. Текстильное материаловедение (текстильные полотна и изделия). М.: Легпромбытиздат, 1992. Т. 3. -272с. , , .

97. Бузов Б.А.,; Модестов» Т1А., Алыменкова НЩ. Материаловедение швейного производства. — М.: Легпромбытиздат, 1986. 424 с.

98. Гордеев В. А. Ткацкие переплетения и анализ тканей. — М.: Легкая индустрия; 1989; -120 с.

99. Попов; Л.И, Керимов С.Г. Текстильные материалы технического назначения. Справочник. — Ярославль: Изд. ВНИИТТ, 2006. — 492 с.

100. Кудрявин Л.А., Шалов И.И. Основы технологии трикотажного производства. —М.: Легпромбытиздат, 1991. 496 с.

101. Бершев Е.Н., Смирнов Г.П., Тюменов Ю.Я. Физико-механические способы, производства нетканых материалов и валяльно-войлочных изделий. — М;: Легпромбытиздат, 1994.- 256 с. ,

102. Петрова И.Н., Андросов В.Ф. Ассортимент, свойства и применение нетканых материалов. М.: Легпромбытиздат, 1991. — 207 с.

103. Особенности строения пироуглерода / Д.К. Хакимова и др. // Консг-рукционные материалы на основе углерода. 1978;-№13.- С. 88-92.

104. Мармер Э.Н. Углеграфитовые материалы. — М:: Металлургия; 1973. —. 1 % *136 с.

105. Рогайлин М.И., Челых Е.Ф. Справочник по углеграфитовым материалам. Ленинград: Химия, 1974. - 206 с.

106. Искусственный графит / B.C. Островский и др. М.: Металлургия, 1986.-272 с.

107. Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы. Пермь, 2009; -342 с.

108. Naslain R. Materials design and processing of high temperature ceramic matrix composites: state of the art and future trends // Advanced Composite Materials.-1999.-Vol. 8,No. l.-P. 3-16.

109. Fitzer E., Gadow R. Fiber-reinforced-silicon carbide // American Ceramic Society. -1986. Vol. 65. - P. 326-335.

110. Тимофеев A.H. и др.. Способ получения карбидокремниевого покрытия на углеграфитовых материалах. Патент Российской Федерации«№ 2053210, 1996.

111. Свойства, получение и примепение тугоплавких соединений: Справочник / Под. ред. Т.Я. Косолаповой М.: Металлургия, 1986. - 928 с.

112. Wang Y.Q., Zhou B.L., Wang Z.M. Oxidation protection of carbon fibers by coatings // Carbon. 1995. - Vol. 33. - P. 427- 433:

113. Luthra K.L., Singh R.N., Brun M.K. Toughened silcomp composites: process and preliminary properties // American Ceramic Society. 1993. - Vol. 72, No. 7. - P. 79-85.

114. Naslain R.R., Langais F. CVD processing of ceramic-ceramic composite materials // Materials Science Research. -1986. No. 20. - P. 45-64.

115. Naslain R.R. Materials design and processing of high temperature ceramic matrix composites: state of the art and future trends // Advanced Composite Materials. 1999. - Vol. 8,No. l.-P. 3-16.

116. Vapor-phase fabrication and properties of continuous — filament ceramic composites / T.M. Besmann et. al. // Scince. 1991. - Vol. 253, No. 6. - P. 11041109.

117. Preparation and characterization of SiC-coated C/C composites using pulse chemical vapor deposition (pulse-CVD) / A. Sakai et. al. // Materials Letters. -1995.-Vol. 25. — P.61-64.

118. Синьковский A.C., Земсков Г.В. Покрытия из карбида кремния па графите // Температуроустойчивые защитные нокрытия: Труды 3-го семинара по жаростойким покрытиям. Липецк, 1968. - С. 131-137.

119. Bessmann T.M., McLaughlin J.C., Lin H.-T, Fabrication of ceramic composites: forced CVI//Nuclear Materials. 1995. - Vol. 219. -P. 31-35.

120. Beatty R.L. Gas pulse impregnation of graphite with carbon // Nuclear Applications and Tecnologies. 1970. - Vol. 8. - P. 488-495.

121. Sugiyma K., Nakamura T. Pulse CVI of porous carbon // Materials Science. Vol. 6. - P. 331—333.

122. Stinton D.P., Caputo A.J., Lowden R.A. Synthesis of fiber-reinforced C-SiC composites by chemical vapor infiltration .// American Ceramic Society. — 1986. Vol. 65, No. 2. - Pi 347-350.

123. Sugiyma K., Ohzawa Y. Pulse chemical vapour infiltration of SiC in porous carbon or SiC partculate preform using an r.f. heating system // Materials Science. — 1990.-Vol. 25.-P. 4511-4517.

124. Крапухин B.B, Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология материалов электронной техники. М.: МИСиС, 1995. - 493 с.

125. Емяшев А.В. Газофазная металлургия тугоплавких соединений. — М: Металлургия, 1987. -208 с.

126. Никифорова-Денисова С.Н., Любушкин Е.Н. Термические процессы. — М.: Высшая школа, 1989. Т.7. С. 96-136.

127. Изучение структуры и состава толстых слоев карбида кремния, осажденного из газовой фазы / Д.В. Батов и др. // Известия РАН. Серия физическая. 1995.— Т.59, № 23. - С. 35-37. , '

128. Local equilibrium phase diagrams: SiC deposition in; a hot LPCVD reactor / С. Chiu et. al.J // Materials Research. 1994. - Vol. 9,No.7. -P. 2066-2071.

129. Cheng D.J., Shyy W.J., Kuo D.H. Growth Characteristics of CVD BetaSilicon Carbide //Electrochemical Society. 1987. -No. 11. -P. 3145-3149.

130. Иванова JIM., Плетюшкин А.А. Кинетика образования (З-SiG из газовой фазы//Неорганические материалы. — 1967.—№ 10.— С. 1817—1822.

131. Lee Y.L., Sanches J.M1 Theoretical study of thermodynamics relevant to te-tramethylsilane pyrolysis // Crystal Growth• — 1997. Vol. 178, No. 4; - P. 513- 517:

132. Lee Y.L., Sanches J.M. Simulation of chemical-vapor-deposited silicon carbide for a cold wall vertical reactor // Crystal Growth. 1997. - Vol. 178, No. 4. -P. 505-512.

133. Ohshita Y. Reactants in chemical vapor deposition using CH3SiH3 as a source gas // Crystal Growth. — 1995:.- Vol: 97, No 12. P: 111-116:

134. Абызов A.M., Смирнов Е.П. Кинетика химического осаждения карбида кремния; из газовой фазы метилсилана // Неорганические материалы., — 2000. Т. 36. № 9. - С. 1059-1066.

135. Химическое газофазное осаждение из метилсилана карбидокремние-; вых покрытий / А.В. Габов и др. // Конструкции из композиционных материалов. 1999.-№ 1.-С. 13-17.

136. Способ получения композиционного материала / А.Н. Тимофеев, и др.. Патент Российской Федерации № 2130509^ 1999.

137. Homogeneous gas phase nucleation of silane in low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) / Z.M. Qian et. al. // Electrochemical Society. 1988. -Vol. 135, No. 9. - P. 2378-2379.

138. Mechanism of the gas- phase thermolysis of monomethylsilane / P.S. Neu-dorfl et. al. // American Chemical Society. 1987.- Vol. 109.-P. 5780-5789.

139. Сайт: Overview of SPICA and mission^status (http://www.nasa.gov).

140. Сайт: Многоразовые космические аппараты (http://www.buran.ru).

141. Сайт: Space vehicle (http://www.nasa.gov).,150: Сайт: Многоразовый космический* аппарат Клипер (http://www.novosti-kosmonavtiki.ru);

142. Сайт: Uncooled'C-SiC composite chamber« testedi successfully in Rocket Combustion Lab (http://www.nasa.gov).

143. Сайт: New carbon-silicon carbide composite board material for high density and high reliability packaging(http://www.nasa.com).

144. Фиалков A.C. Углероду межслоевые соединения и композиты на его основе. М.: Аспект Пресс, 1997. - 718 с. •

145. Allendorf M.D., Kel R.J: A model of silicon carbide chemical vapour deposition//Electrochemical^ Society. — 1991t — Vol; 138^ No.3; — P: 841—852.

146. Ditkovski A., Gottlieb D., Sheldon B.W. Optimization of chemical vapor infilttation with simultaneous powder formation / ICASE Report. — 2000. — No: 200044. — 16 p: .'■"■'.'•

147. Emig G., Popovska N., Shoch G. Hie coating of continous carbon fiber bundles with SiC by CVD: a mathematical model for the CVD process // Carbon. -1998. Vol. 36. - P. 407-415.

148. Chang Н.С., Morse T.F., Sheldon B.W. Minimizing infiltration times during isothermal chemical vapor infiltration with methyltrichlorsilane // American Ceramic Society. 1997. - Vol. 80. -P. 1805-1811.

149. SkamserD.J., Jennings H.M., Johnson D.L. Model of chemical vapor infiltration using temperature gradients // Materials Research. — 1997. — Vol. 12. — P. 724-737. .

150. Effects of process parameters for the preparation' of C/SiG composites in the; F-Chemical vapor infiltration reactor / H. Kim et., al. // Chemical Engineering. 2004. - Vol. 21, No. 5.-P. 929-934 .

151. Мика В.И., Рябин В .В. Численное моделирование процессов тепломассообмена, сопровождающих получение композиционных: материалов на основе пироуглерода // Теплофизика высоких температур. 1995. - Т. 33, № 6. -С. 921-926.

152. Leutard D., Gérard L., Bruno Bl Monitoring density and temperature in C/C composites processing by CVI with induction heating // Materials Synthesis and Processing. 2001. - Vol. 9, No. 5. - P. 259-273.

153. Modeling of SiC-matrix composite formation by isothermal chemical vapour Infiltration / V.I. Kulik et. al. // Crystal Growth. 2004. - Vol. 266.- P. 333339. . .

154. Becker A., Hiittinger, K.J. Chemistry and kinetics of chemical vapor deposition of pyrocarbon-pyrocarbon deposition from ethylene, acetylene and 1,3-butadiene in the low temperature regime // Carbon; 1998. - Vol. 36. — P. 177-199:

155. Becker A., Huttinger, K.J. Chemistry and kinetics of chemical vapor deposition of pyrocarbon-pyrocarbon deposition from propylene and benzene in the low temperature regime // Carbon. 1998. - Vol. 36. - P. 201-211.

156. Birakayala N., Evans E.A. A reduced reaction model for carbon CVD/CVT processes // Carbon. 2002. - Vol. 40. - P. 675-683.

157. Briiggert M., Hu Z.J., HUttinger K.J. Chemistry and kinetics of chemical vapor deposition of pyrocarbon influence of temperature using methane as a carbon^ source // Carbon. 1999. - Vol. 37. - P. 2021-2030.

158. Delhaès P: Chemical vapor deposition and infiltration processes of carbon materials // Carbon. 2002. - Vol. 40. - P. 641-657.

159. Hu Z.J., Huttinger K.J. Chemical vapor infiltration of— revised Part II: experimental results // Carbon. 2002. - Vol. 40. - P. 1023-1032.

160. Hiittinger K.J. CVD in hot wall reactors-the interaction between homogeneous gas-phase and heterogeneous surface reactions // Advanced Materials. — 1998.-Vol. 4.-P. 151-158.

161. Li H.J., Bai R.C. Numerical simulation of chemical vapor infiltration' of propylene into C/C composites with reduced multi-step kinetic models // Carbon.2005. Vol. 43. -P. 2937-2950:

162. Sheldon B.W., Besmann T.M. Reaction and diffusion kinetics during the initial stages of isothermal chemical vapour infiltration // American Ceramic Society. 1991. - Vol. 74, No. 12. - P. 3046-3053.

163. Starr T.L. Deposition kinetics in forced flow / Thermal gradient CVI // Ceramic Engineering and Science. 1988. - Vol. 9. - P. 803-811.

164. Tai N.H., Chou T.W. Analysis modeling of chemical vapor infiltration in fabrication of ceramic composites // American Ceramic Society. 1989. — Vol. 72, No. 3.-P. 414-420.

165. The film boiling densification process for C/C composite fabrication: from local scale to overall optimization // G.L. Vignoles et. al. // Chemical Engineering Science.-2006.-Vol. 61.-P. 5336-5353.

166. Zhang W.G., Huttinger K.J. Chemical vapor infiltration of carbon fiber felt: optimization of densification and carbon microstructure // Carbon. — 2002. — Vol. 40,1 No. 14.-P. 2529-2545.

167. Лапин Ю.В., Стрелец M.X. Внутренние течения газовых смесей. М.: Наука, 1989.-368 с.

168. Wilke C.R. A viscosity equation for gas mixtures // Journal Chemistry and Physics.-1990.-Vol. 18,No4.-P. 517-522.

169. Оран Э., Борис Дж. Численное моделирование реагирующих потоков. М.: Мир, 1990. - 660 с.

170. Франк-Каменецкий Д.А. Основы макрокинетики: Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Интеллект, 2008. — 407 с.

171. Sawrey В.A., O'Neal Н.Е., Ring М.А. The Gas-phase decomposition of methylsilane. Part П. Mechanism of decomposition under static System conditions // Chemical Kinetics. -1984. Vol. 16. - P. 23-30.

172. Теснер H.A. Кинетика образования пироуглерода // Химия твердого топлива. -1983. № 5. - С. 111 - 118.

173. Макаров К.Н., Печик В.К. Исследование кинетики термического превращения метана. Гомогенно-гетерогенная реакция // Кинетика и катализ. — 1976. Т. 16, № 6. - С. 1491 - 1500.

174. Ковалевский Н.Н. Динамика объемного уплотнения углеграфитовых материалов пироуглеродом и расчет параметров процесса // Химия твердого топлива. 1975. - № 2. - С. 98 - 105.

175. Арутнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. — М.: Металлургия, 1990.-239 с.

176. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973. -312 с.

177. Рудобашта С.П., Карташов Э.М. Диффузия в химико-технологических процессах. — М.: Химия, 1993. — 208 с.

178. Алексеев Б.В., Гришин А.М. Физическая газодинамика реагирующих сред. М.: Высшая школа, 1985. - 464 с.

179. Ганжа B.JI., Журавский Г.И., Симкин Э.М. Тепломассоперенос в многофазных системах. Минск: Навуки, 1990. — 237 с.

180. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородных средах. — М.: Энергоатомиздат, 199 К — 224 с.

181. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987: -464 с.

182. Михайловский К.В., Тимофеев И.А. Моделирование процессов тепло и массопереноса в процессе химического осаждения из газовой фазы Si-C—N-H', И Перспективные материалы. — 2010. № 9а, специальный выпуск. - С. 89—95.

183. Михайловский K.B. Моделирование многостадийного технологического процесса получения углерод-керамических композиционных материалов // Заготовительные производства в машиностроении. — 2011. — № 3. — С. 45 — 47.

184. Бабичев А.П., Бабушкина H.A., Братковский А.М. Физические величины. Справочник. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

185. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под ред. А.Е. Шейндлина. М. Энергия, 1974. - 472 с.

186. Методы эталонной порометрии и возможные области их применения / Ю.М. Вольфкович и др. // Электрохимия. 1980. - Т. 16. - С. 1620-1652.

187. Паспорт № П 932-0240-55-2010 на «Окислительностойкий конструкционный композиционный материал марки «КМК-МС»». — Королев, ОАО «Композит». — 9 с.

188. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетере Г. А. Сопротивлениеполимерных и композитных материалов — Рига: Зинатне, 1980 — 572 с.

189. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов.-М.: Машиностроение, 1968.— 192 с.

190. By Э.М. Феноменологические критерии анизотропных сред. М.: Мир, 1978. Т. 2. - С. 401-491.

191. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов Рига: Зинатне, 1980. - 572 с.

192. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М.: Мир, 1982. -334 с.

193. Протасов В. Д. Свойства конструкционных композиционных материалов-М.: Машиностроение, 1994. Т.1. С. 311-314.

194. Бидерман B.JI. Механика тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, 1977. — 488 с.

195. Воробей В.В., Морозов Б.В., Татарников О.В. Расчет термонапряженных конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1992.-240 с.177