Міністерство освіти і науки України
Український державний хіміко – технологічний університет
Кафедра ХТКС
Реферат
з дисципліни “Основи наукових досліджень “
Тема: Високотемпературна ізоляція
для космічних кораблів
Возможно вы искали - Реферат: Изучение взаимодействия в системе NaF-Bi2O3-BiF3 при 600 и 650 градусах Цельсия
Виконав:
студ. гр. 3-ТК-64 Гурський Є.А.
Перевірила:
доцент Смакота Н.П.
Дніпропетровськ 2001
Зміст
Вступ -------------------------------------------------------------------3
1. Види високотемпературної ізоляції, призначення. Умови служби -----------------------------------------------------4
Похожий материал - Реферат: Изучение химического равновесия и принципа Ле Шателье в 9 классе с использованием компьютера
2.Сировинні матеріали для виготовлення високотемпературної ізоляції-----------------------------------10
3.Особливості технології виробництва високотемпературної ізоляції -----------------------------------14
Висновок --------------------------------------------------------------18
Література ----------------------------------------------------------19
Вступ
Високотемпературна ізоляція для космічних кораблів та надзвукової авіації представляє собою зазвичай багатошаровий композиційний матеріал, що може протистояти тривалій дії підвищених температур (більше 1000 ºС), витримувати дію підвищеного та низького (вакуум) тиску та має ще ряд подібних властивостей. Матеріал отримують із оксидів, таких бескисневих з’єднань, як нітрид кремнію, борид кремнію, карбід кремнію та багато інших, схожих по своїм якостям з’єднань. Для отримання таких матеріалів застосовуються дуже дорогі технології виробництва, що не в останню чергу впливає на кінцеву вартість отриманих виробів. Подальша досконалість технології виготовлення та хімічного складу дозволить знизити вартість високотемпературної кераміки, а також покращити ряд властивостей, котрі необхідні для подальшого використання цього матеріалу в космічній галузі при тому, що вона тільки розвивається та має великі перспективи на майбутнє завдяки потрібності людини в дослідженні космічного простору.
Очень интересно - Реферат: Инертные газы
Взагалі, високотемпературна кераміка – це так званий підклас спеціальної кераміки, виробництво якої безперервно поширюється завдяки вимогам новітніх технологій, таких як виробництво теплових машин, електронних та оптичних пристроїв, аерокосмічної галузі, ріжучих інструментів та інших. За цією сферою діяльності слідкує Національний інститут стандартів та технологій, метою чого є досягнення кращого розуміння критичних параметрів матеріалів – мікроструктури та хімії, котрі контролюють властивості спеціальної кераміки та її експлуатаційні характеристики; розвинення методів вимірювання, стандартів та накопичення даних, необхідних для управління цими параметрами, з тим щоб промисловість могла надійно та ефективно виробляти конкурентноспроможну продукцію високої якості при більш низьких цінах. Завдяки цьому об’єм продаж спеціальної кераміки на внутрішньому ринку в 1990 році склав приблизно 53,6 млрд. доларів та досяг 59,2 млрд. доларів у 2000 році.[1 ].
1. Види високотемпературної ізоляції, призначення. Умови служби
Високотемпературна ізоляція призначена для захисту поверхні об’єктів (в нашому випадку— поверхні космічних кораблів) від різноманітної дії навколишнього середовища, в якому перебуває той чи інший об’єкт.
Високотемпературна ізоляція може бути різних видів в залежності від її призначення.
Так, наприклад, композиційний матеріал може застосовуватись для передньої кромки надзвукових літаків для захисту від тертя повітря об поверхню апарата. Матеріал має склад: 20 об.% ZrB2 —SiC, зміцнений безперестанним волокном, отриманим методом хімічного осадження на вуглецеве волокно SiC—ПК з послідуючим нанесенням 30 об.% покриття з аморфного вуглецю товщиною 2—3 мкм, діаметром 140 мкм. Композиційний матеріал має густину 3,12 г/см3 , модуль пружності 173 ГПа, поріг міцності на розтяг при температурах 1000 та 1200 ºС дорівнює 441 та 200 МПа, та володіє високою стійкістю при високих температурах.[2 ].
Вам будет интересно - Реферат: Ионоселективные электроды
Одним із матеріалів, призначених для захисту космічних кораблів при вході в густі шари атмосфери є 6- шаровий еластичний ізолюючий композиційний матеріал. Зовнішній шар цього матеріалу представляє собою лист товщиною 0,065 см із SiC- волокон діаметром 9 мкм з теплопровідністю 0,644 Вт/(м·К). Послідуючий шар складався з корундового матеріалу товщиною 2,305 см з теплопровідністю 0,15 Вт/(м·К) та складеного з волокон діаметром 3 мкм, декілька шарів з волокон алюмоборосилікатного скла з діаметром волокон 3 мкм, алюмінізованої поліамідної плівки, шару волокон з алюмоборосилікатного скла товщиною 0,109 см та діаметром волокон 3 мкм та покриття з SiC товщиною 0,036 см. Теплоізоляційні властивості композиційного матеріалу, при імітуванні входу корабля в атмосферу після політу, дослідили шляхом нагріву в дуговій плазмі та встановили ефективність композиційного матеріалу при густині енергетичного потоку до 31 Вт/см². Наведені аналітичні моделі термічних характеристик композиційного матеріалу, результати випробувань. При товщині композиційного матеріалу 2,61 см та густині 0,174 г/см³, його теплопровідність при 670 К склала 0,055 Вт/(м·К), а величина питомої теплоємкості при 1078К— 1,54·10³ Дж/(кг·К).[3 ]. Такі матеріали мають можливість використання також для створення та забезпечення надзвукових полетів, високоефективних турбінних двигунів, розробки сучасних ракетних систем.
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 1700ºС.[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 650-1260ºС. Така ізоляція вкриває близько 80% поверхні космічного корабля. Для порівняння: композиційний матеріал на основі Si3 N4 з введенням 20 об. % нитковидних кристалів SiC, виготовлений горизонтальним ізостатичним пресуванням без спікаючих добавок володіє доброю структурною стабільністю при температурах навіть до 2000ºС, 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.
Похожий материал - Реферат: Использование альтернативных источников энергии
Нітрид кремнію Si3 N4 отримують високотемпературними хімічними реакціями при 1000–1600ºС. Перші керамічні реакціонно спечені пористі вироби із Si3 N4 були отримані пресуванням виробів із порошка Si з послідуючим опалом в середовищі N2 .Густі вироби із Si3 N4 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, Y2 O3 та інших оксидів РЗЕ. Густина Si3 N4 3,44 г/см³. Нітрид кремнію кристалізується в орторомбічній системі. При температурі 1900 ºС Si3 N4 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 Si3 N4 невеликий та складає 2,46·10-6 (при 20-1000 ºC). Теплопровідність полікристалічного Si3 N4 0,0037 ккал/см·сек·ºС (при 200-1300 ºC). Термостійкість виробів добра. Поріг міцності при стисканні Si3 N4 при кімнатній температурі 5000-6000 кГ/см², при згинанні 1100-1400 кГ/см². Міцністні характеристики до 1400ºС змінюються незначно. Густа Si3 N4 – кераміка складена основним чином із високотемпературного b-Si3 N4 . Світове виробництво Si3 N4 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.