Разработка сверхвысокотемпературных композиционных материалов на основе углерода для эксплуатации в скоростных высокоэнтальпийных потоках кислородсодержащих газов при рабочих температурах на поверхности 1800-2000°С

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-79-10258

НазваниеРазработка сверхвысокотемпературных композиционных материалов на основе углерода для эксплуатации в скоростных высокоэнтальпийных потоках кислородсодержащих газов при рабочих температурах на поверхности 1800-2000°С

Руководитель Астапов Алексей Николаевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Композиционные материалы на основе углерода, УУКМ, УККМ, гиперзвук, поток плазмы, окисление, абляция, жаростойкость, матрица, модифицирование, УВТК, тепловой баланс, напряженно-деформированное состояние, идентификация свойств, огневые испытания

Код ГРНТИ55.49.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Фундаментальная научная задача, на решение которой направлен проект, состоит в разработке конструкционных материалов и технологий получения из них изделий, в том числе крупногабаритных, работоспособных при сверхвысоких температурах в условиях взаимодействия со скоростными высокоэнтальпийными потоками кислородсодержащих газов, в обеспечение создания атмосферных гиперзвуковых летательных аппаратов и многоразовых аэрокосмических транспортных средств. Актуальность и своевременность проекта подтверждается серьезной активизацией научных исследований в области высокотемпературного материаловедения применительно к созданию гиперзвуковых аппаратов различного назначения в таких странах, как: США (в рамках программ Boeing X-37, Boeing X-51, Hyper-X, HyFly, Falcon, AHW и пр.), Франция (программы WRR, PIAF, CHAMIOS, Promethee), Германия (SHEFEX), Великобритания (Skylon, LAPCAT A2), Китай (WU-14/DF-ZF, Шэньлун), Индия (HSTDV, BrahMos-II), Австралия (HyShot), Бразилия (14-Х) и др. Основной целью проекта является разработка технических решений, обеспечивающих получение жаропрочных композиционных материалов на основе углерода с рабочими температурами 1800-2000°С в сверх- и гиперзвуковых потоках окислительных газов (воздух, продукты сгорания топлив). Для достижения поставленной цели будут продолжены систематические исследования в рамках авторского оригинального концептуального подхода к созданию эффективной системы защиты жаропрочных материалов. Подход базируется на выборе рациональной физико-химической модели работы материала, учитывающей и нивелирующей основные источники разрушения газовым потоком. Подход успешно реализован при создании жаростойких самозалечивающихся покрытий систем Si-TiSi2-MoSi2-TiB2-SiCw [RU 2522552 C2, 20.07.2014], Si-TiSi2-MoSi2-TiB2-CaSi2 [RU 2017142183, 05.12.2017, решение о выдаче патента от 27.02.2019], работоспособных на С/SiC композитах при температурах 1810-1820°C в течение не менее 920-930 с, при 1850-1860°C – не менее 420-430 с в условиях обтекания и неравновесного нагрева потоками воздушной плазмы с числами Маха M = 5.5-6.0 и энтальпией 40-45 МДж/кг. Одним из способов дальнейшего повышения рабочих температур композитов является увеличение доли сверхтугоплавких жаростойких компонентов матриц и/или защитных покрытий. Данный подход реализуется в настоящее время в рамках выполняемого коллективом Госзадания № 9.1077.2017/ПЧ – при исследовании более тугоплавкой, чем выше приведенные, системы ZrSi2-MoSi2-ZrB2, пригодной для использования в шликерных технологиях модифицирования матриц композитов и/или получения жаростойких защитных покрытий. Другим перспективным направлением, на наш взгляд, является разработка композиционных материалов на основе углерода с тугоплавкой жаростойкой матрицей, не содержащей соединений кремния или с минимальным их содержанием, что и составляет предметную область исследования настоящего проекта. Для повышения эффективности и сокращения сроков экспериментальных работ в рамках проекта будет разработан и реализован двухсторонний подход к математическому моделированию физико-химических и термомеханических процессов в системах дисперсная фаза (волокно) – дисперсная среда (матрица), дисперсная среда – функциональные добавки и/или дисперсная среда – защитное покрытие. С одной стороны, будет разработана математическая модель на основе уравнения теплового баланса и уравнения Гиббса (основного уравнения термодинамики) с одновременным привлечением фазовых диаграмм состояния для оценки термодинамической и кинетической совместимости компонентов композиционных материалов и защитных покрытий. С другой стороны, будет разработана математическая модель на основе уравнений механики деформируемого твердого тела в термоупругой постановке для оценки термомеханической совместимости компонентов композиционных материалов на уровне соответствия термических коэффициентов расширения и упругих характеристик (модуль упругости, деформативность). Дальнейшая оптимизация решения обратной задачи термоупругости позволит провести идентификацию составов сверхтугоплавких жаростойких композиций, при которых уровень термических напряжений и деформаций, возникающих в материалах в процессе эксплуатации, будет минимален. Поскольку разрабатываемые композиционные материалы являются сложными гетерофазными системами с множеством неизвестных параметров (фазовый состав, соотношение фаз, способ построения архитектуры), для их получения предполагается использовать ретроградный синтез, в котором собственно процесс химического синтеза и вся технология получения материалов строятся в обратном порядке, т.е. от конечного продукта с заданным уровнем свойств. Общая схема получения композита предположительно будет состоять из последовательных стадий: - получение препрега на основе модифицированного углеродного материала (ткани, волокна) и тугоплавких жаростойких композиций (в качестве связующего используется полиорганосилазан или полифталонитрил); - проведение карбонизации и объемного пироуплотнения; - модификация поверхностных и приповерхностных слоев путем заполнения открытых пор жаростойкими композициями; - термообработка в инертной среде при температуре не ниже 0,8 от температуры эксплуатации, в том числе для возможного осуществления реакций in-situ. Проверка работоспособности созданных опытных образцов сверхвысокотемпературных композиционных материалов вначале будет осуществляться в условиях статического окисления на воздухе (в печах), а далее материалы, показавшие наилучшую жаростойкость, будут подвергнуты огневым газодинамическим испытаниям в гиперзвуковых потоках окислительных газов. Материаловедческие работы, выполняемые на протяжении всего проекта, будут сопровождаться исследованиями структурно-фазового состояния разрабатываемых гетерофазных композиций и материалов с привлечением методов рентгеновского фазового анализа, растровой электронной микроскопии, локального рентгеноспектрального анализа и др.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ