УДК 629.7

Особенности высокотемпературных теплозащитных композиционных материалов

Севашко Евгения Александровна – инженер-технолог 1 категории Научно-производственного объединения им. С. А. Лавочкина.

Тимошин Антон Андреевич – инженер-электроник 2 категории Научно-производственного объединения им. С. А. Лавочкина.

Аннотация: В статье анализируются особенности высокотемпературных теплозащитных композиционных материалов. Выявляются свойства, которыми должны обладать материалы для изготовления авиационно-космической техники. Рассматриваются особенности материалов на основе тугоплавких волокон, металлокерамических и керамических композиционных материалов, в том числе с многослойной структурой. Отмечается важность антиокислительных покрытий керамических композиционных материалов.

Ключевые слова: авиационно-космическая техника, теплозащита, высокотемпературные материалы, керамические композиционные материалы, металлокерамическое композиционные материалы.

С увеличением объёмов промышленного производства и развитием производительных технологических процессов, сопряжённых с применением высоких температур, увеличивается потребность в создании эффективных теплозащитных систем для производственного оборудования, агрегатов и систем управления в гражданской и военной сферах промышленности [1]. Создание новых теплозащитных материалов наиболее актуально в области авиационно-космической техники, эксплуатация которой происходит при одновременном воздействии химически активной среды, высоких механических и тепловых нагрузок. Для снижения тепловой нагрузки требуется повышение теплозащитных и прочностных свойств материалов изготовления авиационно-космической техники, что требует разработки новых композиционных материалов.

Целью работы является изучение особенностей высокотемпературных теплозащитных композиционных материалов. Для её достижения были использованы аналитический, синтетический, индуктивный и дедуктивный методы обработки тематических исследований, научных публикаций и релевантных литературных источников.

Материалы для изготовления авиационно-космической техники должны быть приспособлены для работы при повышенных температурах, превышающих 1600°С [2]. Они должны обладать следующими свойствами:

  • высокая температура плавления;
  • высокая окислительная устойчивость;
  • фазовая стабильность в широком диапазоне температур;
  • высокая прочность, в том числе при рабочих температурах;
  • высокая теплопроводность материала, обеспечивающая отвод тепла от сильноперегретых областей;
  • возможность работы в коррозионно-активной среде при высоких температурах.

Теплопроводность материала зависит от его структурных характеристик – морфологии основы и плотности, определяемой пористостью [3]. Разработка эффективных высокотемпературных теплозащитных материалов подразумевает выбор соединений, работоспособных в предполагаемых условиях эксплуатации, и создание на их основе высокопористых структур, которые будут обеспечивать требуемый комплекс физико-механических свойств.

Эффективными теплозащитными материалами являются материалы, созданные на основе тугоплавких волокон [4]. Они обладают низкими показателями плотности и удельной теплопроводности, являются пожаробезопасными и могут продолжительно использоваться при высоких температурах. Высокотермостойкие оксидные волокна (алюмосиликатные и муллитовые волокна, волокна оксида алюминия) являются одними из наиболее важных материалов для авиационно-космической техники благодаря химической инертности в окислительных и восстановительных средах, стойкости к воздействию горячих газов и диэлектрическим характеристикам.

Широкое распространение на рынке волокон получили керамические волокна на основе оксида алюминия, производимые по технологии золь-гель метода [5]. Эта технология основана на нагреве прекурсоров керамических оксидов и их превращении в кристаллическую структуру. Золь-гель метод позволяет получать оксидные волокна с повышенным содержанием оксида алюминия, благодаря чему конечный материал приобретает более высокие теплозащитные свойства. Керамические композиты, формируемые из волокна на основе оксида алюминия, рассчитаны на использование при температурах до 1600°С.

Перспективными материалами для авиационно-космической техники являются металлокерамические композиционные материалы, отличающиеся высокими показателями прочности, жёсткости, износостойкости, трещиностойкости и температурами эксплуатации [6]. Среди них наиболее распространены композиты на базе матриц из алюминия и титана, которые армированы различными волокнами и частицами. Волокнистые металлокерамические композиты на базе титановых и интерметаллидных титановых сплавов с армированием различными волокнами используются в высоконагруженных элементах конструкций, низконаполненные дисперсно-упрочнённые композиты на базе алюминия – в гидравлических системах, элементах силового набора и обшивках, высоконаполненные металлокерамические композиты с матрицей на основе алюминия – в электронике и системах управления.

Высоконаполненные металлокерамические композиты на базе никелевых сплавов используются для снижения трения и износа тяжелонагруженных узлов, которые работают в высокотемпературных условиях с ограничением подачи смазочных материалов. В роли керамических компонентов в них используются нитриды, бориды, карбонитриды, силициды, интерметаллиды, и более сложные керамоподобные соединения, а также их сочетания. В состав могут входить вещества, относящиеся к классу твёрдых технологических смазок (дисульфиды молибдена и вольфрама, графит, фторированный графит, гексагональный нитрид бора), и легкоплавкие металлы, которые в тонких слоях выполняют функцию гидродинамической смазки.

Также в авиационно-космической технике применяются многослойные керамические композиционные материалы на базе различных высокотемпературных соединений, отличающиеся высокой стойкостью к внезапным теплосменам [7]. В эту группу материалов входят (HfC–SiC)/С, (ZrB2–SiC)/С, AlN/BN и Si3N4+SiCнк/BN+Al2O3. Они консолидируются методами искрового плазменного спекания, горячего прессования и свободного спекания. В качестве исходных порошков чаще всего используются промышленные керамические порошки микронных и субмикронных размеров. Тонкие керамические слои формируются методами электрофоретического осаждения и различными видами литья керамических масс. Несмотря на ограничения, свойственные данным методам производства, образцы из многослойных керамических композитов могут быть получены в различной форме – в виде пластин и сложных изогнутых изделий.

Высокотемпературные материалы нуждаются в защите от веществ, образующихся при сгорании топлива – антиокислительных покрытиях, которые дополнительно обеспечивают стойкость к попаданию внешних предметов и резким теплосменам [8]. Покрытия должны обладать химической и фазовой стабильностью в интервале рабочих температур, высокой химической устойчивостью к парам воды, частицам ванадия, серы и кальций-магний-алюмосиликатам, присутствующим в газе, и рядом других свойств. Для защиты керамических композиционных материалов используются многослойные антиокислительные покрытия со связующим подслоем из кремния, обеспечивающим плавное согласование значений температурного коэффициента линейного расширения верхних подслоев антиокислительного покрытия и керамического композита. Помимо этого, кремниевый подслой связывает поступающий вглубь материала кислорода, образуя диоксид кремния и предотвращая дальнейшее окисление. При превышении температур эксплуатации 1300-1350°С используются композиционные покрытия на основе силикатов редкоземельных металлов и прочих тугоплавких соединений. Для увеличения теплоёмкости изолирующего слоя в состав защитного покрытия может включаться эндотермический наполнитель, способный повысить теплопоглощающие характеристики покрытия на 100 % [9].

Перспективными высокотемпературными теплозащитными материалами являются композиционные материалы с многослойной структурой систем «керамика/интерметаллид-металл» и «керамика-C/BN» [9]. Материалы данного класса обладают повышенной термостойкостью и прочностью, квазипластичным характером разрушения и высокой стойкостью к образованию трещин, значительно превышающей показатели монолитных керамических материалов. При этом монолитные керамические материалы, обладающие волокнистой структурой, могут применяться в качестве материала для создания элементов по типу теплозащитных экранов.

Таким образом, высокотемпературные теплозащитные композиционные материалы позволяют обеспечить повышение рабочих температур элементов оборудования и агрегатов при параллельном увеличении эксплуатационных нагрузок, что расширяет спектр доступных для выполнения задач. Перспективными являются многослойные керамические и металлокерамическое композиционные материалы, обладающие более высокой стойкостью к термическому удару и образованию трещин в сравнении с монолитными материалами.

Список литературы

  1. Истомин А.В., Колышев С.Г. Переработка отходов производства высокотемпературного теплозащитного материала // Труды ВИАМ. – 2021. – № 1 (95). – С. 97-104. – DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-1-97-104
  2. Луценко А.Н., Ефимочкин И.Ю., Моисеева Н.С. Исследование закономерности формирования структуры металлического композиционного материала на основе молибдена после высокотемпературного воздействия // Труды ВИАМ. – 2022. – № 4 (110). – С. 32-41. – DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-4-32-41.
  3. Томак В.И. Экспериментальная оценка теплофизических характеристик высокотемпературных теплоизоляционных материалов / В.И. Томак, A.C. Бурков, A.М. Рыцарев, B.А. Товстоног // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. – – № 2 (89). – С. 99-116. – DOI: 10.18698/1812-3368-2020-2-99-116
  4. Бабашов В.Г. Исследование неравномерности прочностных свойств высокотемпературных теплоизоляционных материалов / В.Г. Бабашов, В.В. Бутаков, С.Г. Колышев, В.Г. Максимов // Труды ВИАМ. – 2021. – № 6 (100). – С. 123-134. – DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-6-123-134
  5. Бабашов В.Г., Варрик Н.М. Волокна диоксида циркония как компонент высокотемпературной теплоизоляции (обзор) // Труды ВИАМ. – 2021. – № 10 (104). – С. 79-86. – DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-10-79-86
  6. Балинова Ю.А. Высокотемпературные теплозащитные, керамические и металлокерамические композиционные материалы для авиационной техники нового поколения / Ю.А. Балинова, Д.В. Гращенков, А.А. Шавнев, В.Г. Бабашов, А.С. Чайникова, Е.И. Курбаткина, А.Н. Большакова // Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». – 2020. – № 2. – С. 83-92. – DOI: 10.38013/2542-0542-2020-2-83-92
  7. Сорокин О.Ю. Высокотемпературные композиционные материалы с многослойной структурой (обзор) / О.Ю. Сорокин, Б.Ю. Кузнецов, Ю.В. Лунегова, В.С. Ерасов // Труды ВИАМ. – 2020. – № 4-5 (88). – С. 42-53. – DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-45-42-53
  8. Гончаров Б.Э. Исследование высокотемпературной термостойкости антиокислительного покрытия для керамического композиционного материала с многослойной структурой / Б.Э. Гончаров, А.М. Сипатов, Н.Н. Черкашнева, А.Ю. Плескань, Н.Ю. Самохвалов, М.Л. Ваганова, О.Ю. Сорокин, Ст.С. Солнцев, С.А. Евдокимов // Авиационные материалы и технологии. – 2021. – № 4 (65). – С. 51-58. – DOI: 10.18577/2713-0193-2021-0-4-51-58
  9. Альдебенев Н.С. Разработка активных теплозащитных материалов для информационно-измерительных приборов и систем, испытывающих тепловые нагрузки в условиях аварийных ситуаций / Н.С. Альдебенев, И.Р. Тонеев, Е.С. Журавлева, Д.А. Деморецкий // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. – 2022. – Т. 30, № 4 (76). – С. 76-86. – DOI: 10.14498/tech.2022.4.5
  10. Шавнев А.А. Влияние многослойной структуры на физико-механические свойства керамического композиционного материала на основе системы Si–B–Mo–C / А.А. Шавнев, М.Л. Ваганова, О.Ю. Сорокин, Б.Ю. Кузнецов, С.А. Евдокимов, С.В. Житнюк // Физическая мезомеханика. – 2020. – Т. 23, № 1. – С. 78-85. – DOI: 10.24411/1683-805X-2020-11007