Изоляция космических кораблей

| Категория реферата: Рефераты по химии
| Теги реферата: определение реферат, диплом
| Добавил(а) на сайт: Majja.

Одним із нових теплоізолюючих матеріалів є система термічного захисту
“ТОРНАТ”, яка складається із зовнішнього керамічного композиційного матеріалу, з’єднаного високоміцним жорстким ізолятором, котрий, в свою чергу, з’єднується з поверхнею апарату. Між зовнішнім шаром та жорстким ізолятором поміщують гнучкий ізолятор малої густини. Система володіє значним опором удару часток малих енергій, витримує температуру на поверхні до 1700єС.[4]. Зазвичай, теплоізолюючі матеріали для космічних кораблів – це вироби багатократного використання з кремнезему, вкритих глазур’ю на основі карбіду кремнію, що дозволяє оптимізувати відвід тепла від поверхні космічного корабля в кордонах 650-1260єС. Така ізоляція вкриває близько 80% поверхні космічного корабля. Для порівняння: композиційний матеріал на основі Si3N4 з введенням 20 об. % нитковидних кристалів SiC, виготовлений горизонтальним ізостатичним пресуванням без спікаючих добавок володіє доброю структурною стабільністю при температурах навіть до 2000єС, але деякі властивості (розтріскування та інші) не дають можливості використовувати цей матеріал окремо, а використання його в поєднанні з іншими матеріалами знижує теплостійкість захисного матеріалу в цілому. В ракетній техніці можуть застосовуватись графіто-епоксидні матеріали в сумісності зі скловолокном, котрі мають нижчі властивості, аніж матеріали на основі карбідів, але достатні для їх експлуатації.

Як в авіації, так і в космічній техніці усі деталі повинні мати порівняно невелику масу. Це стосується також і ізоляційних матеріалів, тому нелегко виробити такий матеріал, котрий мав би наряду з високими механічними та теплоізоляційними характеристиками невелику масу та мати невелику вартість. Так, наприклад, фірма PNL (США) розробила керамічний матеріал з тканих металевих та керамічних ниток. Міцність матеріалу порівняна з міцністю сталі A1, хоча їх питома маса складає 0,1 маси металів. Матеріал назначений для довгострокової експлуатації в космосі та його вартість склала близько 11250 доларів за 1 кг. Для запобігання виробів від ударів метеоритів передбачені багатошарові екрани. У композиційних матеріалів з вуглецевою матрицею, армованою волокнами вуглецю низька густина, підвищена механічна міцність при дуже високих температурах та висока стійкість до окислення. Вартість таких композиційних матеріалів склала 5000—45000 доларів за один кілограм.[5].

2. Сировинні матеріали для виготовлення високотемпературної ізоляції

Склад сировинних матеріалів високотемпературної ізоляції може бути різним. Одні сполуки придають виробу в’язкість,інші–пористість, твердість, міцність, теплоізолюючі якості та інші властивості. Тому в залежності від спеціального призначення ізолюючого матеріалу склад сировинних матеріалів регулюють таким чином, щоб забезпечити надійну службу ізоляції на протязі довгого часу.

Але основними сировинними матеріалами для виготовлення високотемпературної ізоляції є карбіди, зокрема карбід кремнію та нітрид кремнію. Розглянемо властивості цих матеріалів.

Нітрид кремнію Si3N4 отримують високотемпературними хімічними реакціями при 1000–1600єС. Перші керамічні реакціонно спечені пористі вироби із Si3N4 були отримані пресуванням виробів із порошка Si з послідуючим опалом в середовищі N2.Густі вироби із Si3N4 мають високу твердість, стійкість до окислення та в’язкість руйнування
4—11 МПа·м1/2. високотемпературні властивості в більшій мірі пов’язані з використанням активуючих спікання домішок, таких як CaO, MgO, Y2O3 та інших оксидів РЗЕ. Густина Si3N4 3,44 г/смі. Нітрид кремнію кристалізується в орторомбічній системі. При температурі 1900 єС Si3N4 розкладається. Нітрид кремнію хімічно інертний до багатьох розплавлених металів та солей.
Розплавлені їдкі луги розкладають його з виділенням аміаку.

Нітрид кремнію використовують як зв’язки у виготовлені виробів з карбіду кремнію. Таку зв’язку отримують шляхом опалу в середовищі азоту виробів з SiC та введеного в нього металічного кремнію. Коефіцієнт теплового розширення Si3N4 невеликий та складає 2,46·10-6 (при 20-1000 єC).
Теплопровідність полікристалічного Si3N4 0,0037 ккал/см·сек·єС (при 200-
1300 єC). Термостійкість виробів добра. Поріг міцності при стисканні Si3N4 при кімнатній температурі 5000-6000 кГ/смІ, при згинанні 1100-1400 кГ/смІ.
Міцністні характеристики до 1400єС змінюються незначно. Густа Si3N4 – кераміка складена основним чином із високотемпературного ?-Si3N4. Світове виробництво Si3N4 складає приблизно 500 т/рік.

Карбіди— це з’єднання вуглецю з металами (MeC). Вони відрізняються високою температурою плавлення або розкладання. Найбільше використання у техніці здобули карбіди титану TіC і карбід кремнію SіC. Карбід титану використовують головним чином для виготовлення жаростійких матеріалів, деталей в реактивній техніці, а також деяких виробів для атомних реакторів та в інших випадках. Карбід кремнію SiC найбільш широко використовують в ряді областей техніки завдяки великій твердості (абразиви), вогнетривкості та специфічним електрофізичним властивостям. Дані о властивостях SiC наведені нижче.

Густина в г/смі ………………………………………… 3,21

Твердість по мінералогічній шкалі ………………9,2—9,5

Мікротвердість в кг/смІ ………………………3000—4500

Поріг міцності в кг/смІ:

при стисканні перпендикулярно оптичній осі…22500 при згинанні …………………………………………1550

Теплопровідність виробів із рекристалізованого карбіду кремнію при

200-1400 єC в кал/см·сек·град …………………0,04

Коефіцієнт термічного розширення в інтервалі температур 20-1000 єC град-1

……………………5.2·10-6

Величина та характер зміни електроопору в області температур до 1500 єС, а також висока стійкість до окислення при тривалій дії високих температур обумовили використання карбіду кремнію як матеріал для електронагрівних опорів.

Окрім виготовлення нагрівних елементів та нелінійних опорів карбід кремнію використовують як конструкційний матеріал для ракетної техніки.
Однак перед цим проводилася тривала дослідницька робота, яка була направлена на отримання густого беспористого карборунду. Такий матеріал в
СРСР та за кордоном був отриманий. Його відносна густина складає 0,95-0,98, поріг міцності при стисканні 10000-14000 кГ/смІ.[6].

3. Особливості технології виробництва високотемпературної ізоляції

Виробництвом високотемпературної ізоляції займається багато фірм та с часом технології виробництва удосконалюються. Цим пояснюється велика кількість запропонованих способів виробництва високотемпературної ізоляції для космічних апаратів, ракет та надзвукових літаків. Розглянемо деякі з них.

Виготовляються легковажні високотемпературні керамічні теплоізоляційні блоки з низькою теплопровідністю, високою міцністю методом формування виробів з стільниковою структурою з високотемпературного матеріалу.
Формування заготівок робиться шляхом поперемінного з’єднання гофрованих та плоских листів, для одержання яких використовують волокна із Al2O3, SiO2,
C, ZrO2, Si3N4, SiC, нитковидні кристали SiC, Si3N4 з послідуючим опалом.
На отриманий виріб наноситься керамічне високотемпературне покриття.[7].
При нанесенні покриття методом хімічного осадження із газової фази при вигоранні ісходні матеріали розчинюються в палаючих органічних розчинниках
(ксилолі або толуолі), розчин розпилюють за допомогою окислюючого газу, наприклад, повітря, у вигляді аерозоля навкруги пропанової горілки, в результаті чого трапляється його загорання. Вироби, на які повинно бути нанесене покриття помішають в (або) рядом з полум’ям та витримують на протязі часу, достатнього для нанесення покриття потрібної товщини.

Застосовується композиційний матеріал зі SiC зміцненим волокном
Nicalon, Nextel та С з ортотропним та квазіізотропним розміщенням волокон, котрий отримується методом пропитки формованих заготівок із волокна хімічним осадженням із газової фази. Після обробки на протязі 100 хвилин при температурі 1500єС композиційний матеріал, зміцнений волокном Nicalon, відрізнявся незначною зміною маси та відсутністю зміни морфологічних характеристик поверхні. На поверхні кордону розділу волокно/ матриця утворився вуглецеподібний шар. Втрата маси композиційних матеріалів, зміцнених волокном Nextel, з ортотропним розміщенням волокон при температурі 1100єС склала 2,04·107 г/(смІ·с). [8].

Конструкційний керамічний композиційний матеріал, складений з 30-60 об.% вуглецевих волокон, 10-55 об.% матриці з SiC та C при їх масовому співвідношенні від 20:1 до 2:1 та 5-40 об.% відкритих та закритих пор, на який наносять багатошарове захисне покриття, має такі властивості: ?=200 МПа (без крихкого руйнування), стійкий в кислій атмосфері (на повітрі). При температурі 20-1600єС на протязі не менше 50 годин, може витримувати без руйнування не менше 100 термоударів. Перший шар цього покриття товщиною 20-
150 мкм складається з одного або декількох з’єднань, що містять Si, C, B,
O2, другий шар товщиною 50-250 мкм — із боридів та (або) силіцидів перехідних металів в комбінації з SiC, SiO2 або SiOC, третій шар товщиною
20-250 мкм— з одного або декількох з’єднань типа SiO2, SiC, MoSi2, Zr2B,
Si3N4, ZrO2, Y2O, Al2O3, Al2O3·SiO2 та інших.

Все більший попит має автоматизована технологія нанесення багатошарових високотемпературних захисних покриттів з використанням випромінювання СО2-лазера з оптикою з Ge та комп’ютерним сканером. Лазерним променем нарізають заготівки потрібного розміру, котрі після цього приварюють променем до наступного шару з послідуючим вирізанням заготівок потрібної форми. З отриманих 28-шарових корундових заготівок на органічному та неорганічному зв’язуючому та з нанесеним спеціальним тимчасовим покриттям на силіконовій основі. Такий матеріал є також перспективним і в автомобільній галузі. [9].Технологія нанесення покриття на волокна для композиційних матеріалів з керамічною матрицею шляхом хімічного осадження із газової фази (SiC) та золь-гель технологія (TiO2, Nb2O5) дозволяє використовувати високотемпературні покриття без окислення до 1482єС.[10].