Композиционных теплозащитных

граммой курса в учебнике в логической последовательности и связи изложены сведения о получении металлов из руд и дальнейшей их переработке до готовых деталей с заданными формами и свойствами, о технологии изготовления машиностроительных деталей из композиционных, порошковых и неметаллических материалов. При описании современных технологических процессов освещены основные направления их механизации и автоматизации.

ГЛАВА I. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Глава I. Изготовление деталей из композиционных порошковых материалов 418

2. Краткая характеристика композиционных порошковых материалов ..........,............. 419

Плазменное напыление композиционных порошковых материалов, состоящих из твердой тугоплавкой основы и легкоплавкой связки, получило распространение в различных отраслях техники. Эксплуатационные свойства плазменных покрытий зависят от физико-механических

из композиционных порошковых материалов

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ____________469

8.1. Классификация композиционных порошковых материалов

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ______ 471

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ_________ 473

Переходим теперь к выводу уравнения сохранения энергии композиционных теплозащитных материалов при наличии внутренних физико-химических превращений. Систему координат, как и в § 3-2, свяжем с перемещающейся за счет уноса массы внешней поверхностью тела. При этом, как было показано, в уравнении теплопроводности появляется дополнительный «конвективный» член, пропорциональный v00(dTjdy). Физически это соответствует переносу тепла за счет поступления в данный элементарный объем единичной массы твердого вещества со скоростью Ооо, равной скорости разрушения. Аналогично фильтрующиеся через пористый каркас газообразные продукты разложения должны поглощать определенное количество тепла, пропорциональное Gg(dT/dy), тем самым в уравнении теплопроводности появляется дополнительный конвективный член.

Особенностью армированных (или в общем случае композиционных) теплозащитных материалов является наличие по крайней мере двух фронтов уноса массы: поверхностного, задающего линейный размер (толщину) теплозащитного покрытия, и внутреннего, определяющего глубину слоя с измененной структурой. При заданных внешних условиях нагрева при определении работоспособности теплозащитного покрытия в целом на первый план выходят либо требования к точности определения характеристик поверхностного разрушения, либо необходимость точного расчета глубины прогрева. Для определения глубины прогрева, помимо теплофизических свойств, важно знать величину скорости перемещения внешней поверхности и ее температуру Tw. Напротив, при квазистационарном разрушении нет необходимости детально исследовать внутренние процессы: достаточно знать суммарное количество тепла, поглощенное материалом, прежде чем он нагреется до температуры разрушения. Однако время установления квазистационарного разрушения Тг, и, следовательно, общая толщина унесенного слоя материала существенно зависят от его теплофизических свойств, в частности коэффициента теплопроводности.

Теплоемкость неразлагающихся веществ очень слабо зависит от пористости, однако в случае композиционных теплозащитных материалов происходит не только увеличение пористости в зоне реакции, но и изменяется химический состав покрытий (в частности, могут улетучиваться высокомолекулярные компоненты, обладающие большой теплоемкостью). Это, конечно, в некоторой степени отражается на величине удельной теплоемкости. К тому же необходимо учитывать, что теплоемкость входит в уравнение теплопроводности в виде произведения (рс)?. В результате у композиционных материалов оба теплофизических параметра А, и СЭКБ образуют характерную «гистерезисную петлю» на графике зависимости их от температуры, ширина которой соответствует возможному сдвигу реакции при изменении темпа нагрева от 0 до нескольких сотен градусов в секунду (в последнем случае преобладающую роль уже начинает играть поверхностное разрушение).

Аналогично образуется при нагреве и разрушении некоторых композиционных теплозащитных материалов пористый прококсованный слой (см. гл. 9).

Пленка расплава даже у композиционных теплозащитных материалов является относительно упорядоченной средой. Если внутри самих твердых композиционных материалов перенос лучистой энергии происходит, вероятно, лишь внутри пор, то в пленке радиационный перенос может осуществляться непосредственно в конденсированной фазе. И хотя толщина пленки расплава не превышает, как правило, долей миллиметра, перенос тепла излучением оказывает влияние на всю картину разрушения.

Существуют два наиболее распространенных способа построения композиционных теплозащитных материалов. В первом несущий каркас образуется переплетенными тугоплавкими волокнами, а связующая компонента не позволяет волокнам наполнителя скользить друг относительно друга. Во втором случае конструкционной основой являются соты из стеклопластика или металла, а их внутренний объем заполняется смесью органической смолы, пористых микрошариков и микроволокон.

Второй тип теплозащитных систем хорошо работает в условиях длительного нагрева с умеренным силовым воздействием потока. Поэтому его целесообразно использовать, например, в пилотируемых спускаемых космических аппаратах. Напротив, первый тип композиционных теплозащитных материалов хорошо противостоит сверхвысоким тепловым и динамическим нагрузкам, но обладает меньшей эффективностью при длительном нагреве умеренной интенсивности.

Учитывая огромное разнообразие композиционных теплозащитных материалов, не представляется возможным описать процесс их нестационарного нагрева и разрушения какой-то одной схематиче- 237

ской моделью. В сязи с этим мы ограничимся иллюстрацией общего подхода к исследованию этих процессов, а для определенности в процессе изложения будем ориентироваться на стеклопластики на фенол-форм альдегидной смоле как на типичного и наиболее распространенного представителя армированных композиционных теплозащитных материалов. Из стеклопластиков изготовлены теплозащитный экран американского космического корабля-спутника «Меркурий», камеры сгорания и корпуса ступеней ракет «Атлас», «Минитмен», «Поларис» и т. д.

Что касается второго типа композиционных теплозащитных материалов (на основе сотовых конструкций), то механизм их разрушения, как правило, подобен разрушению материалов разлагающегося типа и ниже анализироваться не будет.

Сначала рассмотрим теплофизические свойства композиционных теплозащитных материалов. При комнатной температуре их можно рассчитать, если известны теплофизические свойства и массовые доли составляющих. Так, для стеклопластиков с массовым содержанием смолы срсм плотность ро связана с плотностями наполнителя рн и связующего рсм соотношением