РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ С КЕРАМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТОЙ ОТ ОКИСЛЕНИЯ В ВОЗДУШНЫХ ПОТОКАХ
Аннотация
Проведены расширенные разработки, исследования и испытания в скоростных потоках группы углерод-керамических объемно армированных композиционных материалов (УККМ). Исследования проведены в широком интервале изменения соотношения углеродных (71 – 96 масс. %) и керамических (3 – 27 масс. %) материалов. В сравнении с углеродными композитами найдено, что энергия активации скорости окисления УККМ понижается вдвое. Основной эффект понижения скорости окисления достигается за счёт ограничения диффузионных процессов. Получены численные выражения зависимости скорости окисления от температуры для ряда новых видов УККМ. Исследованы физико-механические и теплофизические свойства материалов. Показано, что в углерод-керамическом композите сохранен базовый уровень углерод-углеродной основы. Полученные композиты сочетают высокую жаростойкость углеродных материалов с жесткостью и прочностью керамик. В работе для многомерно армированных углерод-керамических композитов подтверждено полученное нами ранее директивное требование эффективной механики их упрочнения: технологическое обеспечение существенного превышения удельной жёсткости углеродной компоненты, по сравнению с керамической. Проведены испытания моделей в высокотемпературном потоке воздуха. Испытанные изделия размерами до 100 мм в скоростном потоке показали отсутствие изменения геометрии и минимальную потерю массы. Анализ структуры углерод-углеродных и углерод-керамических материалов после огневого воздействия подтвердил исходные технологические предпосылки. Испытание прочностных характеристик УККМ после окислительной экспозиции показали сохранение стандартной закономерности – повышения прочности углеродных материалов до 2000 °С. Полученные результаты подтвердили защиту от окисления армирующего углеродного каркаса. Для практического применения разработанных материалов и создания из них конструкций проведены разработки двумерно армированных УУКМ на единой технологической базе. Получены материалы с близкими для УККМ уровнями модуля упругости. Для сборки конструкций предложены технологии создания углерод-керамических соединений с близкими для УККМ массовыми соотношениями углеродных и керамических компонент.
Литература
Devilliers C., Kroedel M.R. CeSiC a new technology for lightweight and cost effective space instrument structures and mirrors Proc. SPIE 5494, Optical Fabrication, Metrology and Material Advancements for Telescopes (24 September 2004). DOI: 10.1117/12.551242.
Ohlhorst C. W., Glass D.E., Bruce W.E., Lindell M.C., Vaughn W.L., Smith R.W. Development of X-43A Mach 10 Leading Edges. 56th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation, the International Academy of Astronautics, and the International Institute of Space Law, International Astronautical Congress (IAF) DOI: 10.2514/6.IAC-05-D2.5.06.
Valdevit L., Vermaak N., Hsu K., Zok F., Evans A. De-sign of actively cooled panels for scramjets. 14th AIAA/AHI Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. Canberra, Australia. DOI: 10.2514/66.2006-8069.
Zhang Y., Zhang L., Cheng L., Mei H., Ke Q., Xu Y. Fundamental issues of applications of C/SiC composites for re-entry vehicles. J. Ceramic Proc. Res. 2009. V. 10. N 3. P. 248-256.
Zhe Bai, Liyun Cao, Jianfeng Huang, Haibo Ouyang, Jinbu Su, Cuiyan Li, Ao Fu Cf/C–SiC–MoSi2 composites with good ablation performance prepared via a two-step hy-drothermal method. RSC Advances. 2017. 7. P. 11707-11718. DOI: 10.1039/c6ra27805a.
Newsome D.A., Sengupta D., van Duin A.C.T. High-Temperature oxidation of SiC-based composite: rate constant Calculation from Reax FF MD Simulations. Part II. J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. N 10. P. 5014–5027. DOI: 10.1021/jp307680t.
Kolesnikov S.A., Petrov A.M., Melamed A.L., Ostronov B.G. Method of obtaining high density graphite. RF patent 2 496 714.2013 (in Russian).
Kolesnikov S.A., Bamborin M.Y. A method for producing a carbon material of a multidirectional reinforcing carcass made of carbon fiber. RF patent 2 534 878. 2014 (in Rus-sian).
UUKM brands of Desna-4, KM-VM-4D, KM-VM-2D and Desna T-1. http://www.Niigrafit.ru (in Russian).
Protsenko A.K., Kolesnikov S.A. Development of carbon-carbon technologies and prospects for their development. In the collection. "Research Institute of structural materials based on graphite - 55 years." Ed. E.P. Mayanov. M.: Nauchnye Tekhniologii. 2015. P. 32-59 (in Russian).
Yu H.J., Zhou X.G., Zhang W., Peng H.X., Zhang C.R., Huang Z.L. Mechanical properties of 3D KD-I SiCf/SiC composites with engineered fibre–matrix interfaces. Compos-it. Sci. Technol. 2011. V. 71. P. 699–704.
Kolesnikov S.A., Yartsev D.V., Melamed A.L., Bubnen-kov I.A., Koshelev Y.I., Protsenko A.K. Carbon-carbide-silicon composite based on a multi-directional reinforcing bar frame. RF patent 2 626 501.2017 (in Russian).
Patel M., Saurabh K., Bhanu Prasad V.V., Subrahman-yam J. High temperature C/C–SiC composite by liquid sili-con infiltration: a literature review. Bull. Mater. Sci. 2012. V. 35. N 1. P. 63–73.
Xiang Yang, Cao Feng, Zhi-hang Peng, Wang Yi, Guang-de Li Evolution of microstructure and mechanical properties of PIP-C/SiC composites after hightemperature oxidation. J. Asian Ceram. Soc. 2017. V. 5. N 3. P. 370-376. DOI: 10.1016/j.jascer. 2017.07.001.
KostikovV.I., Demin A.V., Kolesnikov S.A., Konokotin V.V., Ponkratova R.N. Method of obtaining products from carbon-composite materials and carbon-silicon carbide com-posite material. RF patent 2 084 425.1997 (in Russian).
Emyashev A.V., Kostikov V.I., Kolesnikov S.A. Method of obtaining composite materials based on carbon fibre and silicon carbide. RF patent 2 058964.1996 (in Russian).
Kolesnikov S.A., Yarzev D.V., Bubnenkov I.A., Ko-shelev Yu.I. Method of obtaining protective coatings on ma-terials and products with carbon basis for use in high-speed jets of an oxidizer. RF patent 2 613 220.2017 (in Russian).
Terentieva W.S., Astapov A.N., Eremina A.I. Prospective analysis of antioxidant coatings to refractory carbonaceous composites (review). Corroziya: materialy, zashchita. 2014. N 1. P. 30-42 (in Russian).
Yartsev D.V., Kolesnikov S.A., Bamborin M.Yu. Method of obtaining carbon-carbon composite materials based on carbon fibre filler and carbon matrix. RF patent 2 568 495.2015 (in Russian).
Kolesnikov S.A., Titova N.V., Bamborin M.Yu., Yartsev D.V. Method of screw connection of parts made of carbon materials. RF patent 2 608711.2017 (in Russian).
Tarabanov A.S., Kostikov V.I. Silicicated graphite. M.: Metallurgiya. 1977. 208 p. (in Russian).
