Композиционного теплозащитного

Под композиционным материалом следует понимать сочетание двух или более химически разнородных материалов с четкой границей раздела между ними. Композиционный материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом условии есть смысл их применения.

Пластическая деформация при температуре ниже температуры рекристаллизации приводит к наклепу поверхностного слоя -его упрочнению, при котором кристаллы сильно деформируются и поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации, т.е. в направлении скольжения. В то же время у самой поверхности структура несколько ослаблена, микротвердость у поверхности также снижается, увеличиваясь по мере удаления от поверхности и достигая максимума на некоторой глубине. На рис. 4.4 приведены экспериментальные данные по изменению микротвердости, полученные при испытании алюминиевого сплава В95 в паре с композиционным материалом на основе политетрафторэтилена.

На рис. 17 показаны характеристики ступенчатого соединения, представляющего переходную зону между слоистым композиционным материалом и металлическим фиттингом. Сравнение их с данными, представленными на рис. 3, обнаруживает значительное различие, даже при том, что преимущество комбинированного соединения, так же как и чистого композиционного материала, все еще сохраняется. Одновременно с изготовлением и испытаниями изготовитель может начинать отрабатывать и проверять методы контроля качества, которые затем будут использоваться в массовом производстве.

Для полного понимания проблем, стоящих перед конструктором, проектирующим объект на основе композиционных материалов, полезно рассмотреть основные различия между металлами и композициями. В то время как металлы, вообще говоря, изотропны, композиционные материалы в высшей степени анизотропны [12]. Прочность последних в направлении волокон может более чем в 20 раз превышать прочность матрицы, прочность поперек волокна или прочность между слоями. Таким образом, возможно много вариантов разрушения: от растяжения, сжатия, сдвига в плоскости листа, межслоевого сдвига, плоского растяжения и от их сочетаний. Если металл под действием сжатия может зачастую скорее покоробиться, чем разрушиться, то с полимерным композиционным материалом дело обстоит иначе: он может полностью разрушиться, расслоиться или расколоться по матрице параллельно волокнам.

3. Лонжероны и нервюры. Для изготовления нервюры и балки использованы исключительно углеродные волокна с ориентацией О/±45/90°, при этом слои, ориентированные в направлении ±45°, составляют большинство. Передняя балка имеет множество вырезов для обслуживания и движения направляющих предкрылка (рис. 14). Эти вырезы усилены композиционным материалом по специально разработанной методике, без применения металла. Правильность этой идеи подтверждена испытаниями. Нервюры подобны по конструкции балкам и представляют собой сегменты между балками.

туры; G — слоистая панель с металлической или композиционной облицовкой и заполнителем из пенопласта; Н — облицовка и гофрированная сердцевина, выполненные из стали или алюминия, соединены сваркой или клеем; / — алюминиевая клееная конструкция, механически обработанная в местах соединения; J — трехслойная панель с металлической облицовкой; конструкция заполнителя позволяет выдерживать значительные продольные и поперечные сжимающие нагрузки; К — трехслойная панель с металлической облицовкой; заполнитель из высококачественной бальсовой древесины; L — облицованный алюминием, самосвязывающийся высокоплотный полиэтилен, обеспечивающий высокое сопротивление; М — стандартный двутавр из стеклопластика, полученный методом «пультрузии», выборочно подкрепленный композиционным материалом о углеродными волокнами; N — трехслойная панель с алюминиевым заполнителем облицованным угле-епоксидным композиционным материалом; кромки выполнены из пластика; О —• многосекционный профиль из стекло- или углеэпоксидного комиозицион-ного материала, изготовленный методом «пультрузии».

В одной главе невозможно охватить все области применения композиционных материалов в ядерной технике. В связи с этим основное внимание уделяется тем композиционным материалом, которые наиболее характерны для этой промышленности. И даже они представлены лишь в качестве примеров и не охватывают всех областей применения.

Дополнениями к рассмотренным группам являются полиматричные и полиармированные композиционные материалы. Полиматричные композиционные материалы (рис. 20, а) состоят из чередующихся слоев двух или более композиций с матрицами различного химического состава. Полиармированные композиционные материалы (рис. 20, б) содержат два или более различных по составу армирующих компонентов, равномерно распределенных в матрице относительно друг друга. Полиармированные композиционные материалы могут быть «простыми», если содержат армирующие компоненты различной природы, но одинаковой размерности, и комбинированными, если содержат армирующие компоненты различной природы и размерности. Так, например, стекло-углепластик является простым полиармированным композиционным материалом, а боралюминий с прослойками из титановой

Метод пропитки применяют для получения композиционного материала с внешним армированием, предназначенного для изделий, работающих на трение. Такой износостойкий материал получали методом заливки алюминиевого сплава в форму с уложенной в ней тканью из карбидов тугоплавких металлов — тантала, титана или вольфрама [163, 164]. После затвердевания структура поверхности материала представляет собой две фазы: 75— 80% фазы с высокой твердостью, состоящей из карбидов и сплава матрицы. Испытания на трение показали, что армированный с поверхности тугоплавкими карбидами алюминиевый сплав 6061 имеет значительно более высокую стойкость к истиранию по сравнению с неармированным сплавом 6061, заэвтектическим алюминиевым сплавом, содержащим 18% по массе кремния, и композиционным материалом алюминий—углерод.

Раскрой и сборка пакетов для прессования. Наиболее распространенным видом предварительных заготовок, применяемых для изготовления композиционных материалов методом диффузионной сварки, являются плоские элементы, состоящие из одного слоя упрочнителя, закрепленного тем или иным способом. В связи с этим в дальнейшем операции раскроя заготовок и сборки их в пакеты рассмотрим на примере предварительных заготовок, полученных методом намотки с последующим закреплением волокон плазменным напылением или проклеиванием. Схематически эти операции представлены на рис. 58 (по данным работ [31, 98]). Из монослойных заготовок вырезают ножницами, гильотинными ножницами, вырубают в специальных штампах либо получают другими методами механической обработки элементы более или менее сложной конфигурации, являющиеся слоями — сечениями изделия. Число этих заготовок определяется толщиной готового изделия, количеством упрочнителя и матрицы в предварительных заготовках, если упрочнитель связан матрицей, либо количеством упрочнителя и толщиной фольги матрицы, если упрочнитель связан клеем. На рис. 58. показан типовой раскрой двух видов изделий; плоского полуфабриката в виде листа и изделия более сложной формы — лопатки двигателя. Поскольку наряду с од-ноосноармированным композиционным материалом в технике применяют изделия из материала, в котором имеется волокно, ориентированное, в соответствии с возникающими в этом изделии

минием в расплаве и сам является композиционным материалом. Хорошая смачиваемость поверхности волокон расплавленным металлом j достигается благодаря предварительному нанесению на поверхность волокон слоя ИВ толщиной 100—200 А.

Наконец, третье принципиальное отличие рассматриваемой задачи от классического уравнения теплопроводности (3-3) связано с объемным стоком тепла AQ*, обусловленным тепловым эффектом физико-химических превращений. Суммируя все перечисленное выше, получаем общее уравнение сохранения энергии внутри разрушающегося композиционного теплозащитного материала в следующем виде:

1) тепловой поток, идущий внутрь композиционного теплозащитного материала, зависит только от перепада температур между внешней нагреваемой поверхностью и начальным значением Т0, а также от

для ряда теплозащитных материалов: графита, фенольного найлона политетрафторэтилена (фторопласта) и композиционного теплозащитного материала, использованного на космическом аппарате «Аполлон». Приведенные зависимости соответствуют широкому диапазону изменено ния внешних условий обтекания: энтальпия торможения менялась от

Что касается остальных составляющих композиционного теплозащитного материала, то их функция в процессе разрушения, конечно, не сводится к роли некоего теплоемкого балласта. Благодаря химическому и физическому взаимодействию с определяющей компонентой они влияют на унос массы последней. Важно отметить, что скорости разрушения всех неопределяющих компонент в композиции могут оказаться меньше «индивидуальных» скоростей разрушения при данных условиях обтекания. Это снижение обусловлено наличием теплового, гидродинамического и диффузионного сопротивлений пористого каркаса из определяющей компоненты, внутри которого происходит разрушение всех остальных компонент.

Рассмотрим механизм выравнивания линейных скоростей разрушения различных составляющих композиционного теплозащитного материала на примере стеклопластика на органическом связующем (рис. 5-1). При квазистационарном разрушении (см. гл. 3) органическое связующее, имеющее весьма низкую температуру термического разложения, уносится с той же скоростью, что и тугоплавкий стеклянный наполнитель. При этом фронт разложения связующего находится в глубине по-118 крытия, т. е. в области существенно более низких температур и значе-

Может случиться и так, что компонента, обладающая более высокой теплохимической стойкостью по сравнению с остальными компонентами, не сможет образовать прочного связанного каркаса (примером может служить асботкань). Тогда логично предположить, что даже при высоком содержании этой компоненты в исходном материале она будет подвержена механическому уносу (рис. 5-2). В этом случае роль определяющей компоненты композиционного теплозащитного материала МО-

9-2. Нестационарный прогрев композиционного теплозащитного материала

при взаимодействии композиционного теплозащитного материала с многокомпонентным газовым потоком

где vi,j — массовое содержание /-го химического элемента в t'-й компоненте газообразного пограничного слоя; фь — массовое содержание &-й составляющей композиционного теплозащитного материала, а Гь — коэффициент газификации &-й компоненты, т. е. доля в общем уносе массы 02фй расхода газообразных компонент данного химического состава. Коэффициент Vj,,- определяется как отношение молекулярных масс /-го химического элемента и той t'-й компоненты, которая содержит рассматриваемый элемент.

Переходим к вопросу о внутреннем теплообмене в прококсованном слое. Отбирая тепло у стенок пор, а затем снижая коэффициент теплообмена в пограничном слое за счет вдува, газообразные продукты термического разложения существенно влияют на скорость уноса массы композиционного теплозащитного материала. В принятой нами ранее

Таким образом, формула (9-46) позволяет определить условия разрушения композиционного теплозащитного материала, при которых различием температур газа и стенок пористого каркаса еще можно пренебречь. На рис. 9-18 приведены некоторые результаты расчетов по этой формуле.