Разработка методики рационального выбора технологического процесса производства теплонапряженных деталей многоразовых космических аппаратов из углерод-керамических композиционных материалов

• Автор: Михайловский, Константин Валерьевич
• Шифр специальности: 05.07.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 181 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ !

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ ПРОИЗВОДСТВА ТЕРМОСТОЙКИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕРОД-
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 : ........................... 19'
1.2. Особенности технологий формирования матриц и их структура
в углерод-керамических композиционных материалах
1.3 . Особенности проектирования и производства конструкций изУККМ
1.4. Предпосылки для моделирования технологических процессов
тепло- и массообмена при производстве конструкций из УККМ
1.5. Формулировка цели и задач
Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА ПРИ ГАЗОФАЗНОМ МЕТОДЕ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УККМ
2.1. Типовая схема установки для производства деталей из УККМ
2.2. Особенности формирования матрицы газофазным методом в
УККМ. ................................................ ...;..... 49 I

2.3. Постановка задачи математического моделирования ............... 50 •
2.4. Конвективный тепло- и массообмен с учетом химических
реакций в.камере газофазного реактора
2.5. Перенос тепла излучением в камере газофазного реактора

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
Глава-4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ УККМ ГАЗОФАЗНЫМ МЕТОДОМ
4.1. Методика постановки и результаты проведения экспериментов
в промышленной газофазной установке СГВ 10.13/
4.2. Результаты структурных исследований
4.3. Рекомендации по производству конструкций многоразового применения из УККМ
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

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

пористость заготовок в ходе процесса СУ1 продолжает носить открытый характер.
Можно выделить несколько технологических схем газофазного осаждения [125]: изобарно-изотермическое насыщение (1-СУ1); термоградиентное газофазное насыщение (ТО-СУ1); бароградиентное газофазное насыщение (Р-СУ1); термобароградиентное насыщение (ТО-Р-СУ1); процессы СУ1 с циклически изменяющимся давлением (Р-СУ1) (рис. 1.17). В зависимости от разновидности процессов организации подачи реагента в пористую среду заготовка может быть нагрета неравномерно.
Индукционная к опушка или режпьвныи нагредате/ъный элемент

Рис. 1.17. Методы газофазного осаждения: а - изотермический; b - метод теплового градиента; с - метод градиентного давления [28]
Проведение процессов при относительно низких температурах (1100— 1300 К) и давлениях (от нескольких до 10 кПа) благоприятствует осаждению SiC на внутренних поверхностях пористого волокнистого каркаса, поскольку снижается скорость реакций разложения реагентов и повышается длина свободного пробега молекул, что, в свою очередь, приводит к повышению коэффициента диффузии реагента вглубь пористой заготовки.
Процессы I-CVI легко могут быть использованы как для нанесения покрытий на армирующие волокна в уже сформированном каркасе, например, с целью модификации границы раздела «волокно-матрица» в будущем КМ, так и для насыщения заготовок материалом матрицы (рис. 1.18). Причём в качестве