Теплозащитные материалы, применяемые в самолётостроении, их основные характеристики

Процессы плавления  и течения пленки расплав; у кристаллических и аморфных веществ имеют определенные различия. Кристаллические вещества плавятся при постоянной температуре Т_р, при этом вязкость жидкой фазы оказывается столь малой что вся расплавленная масса практически мгновенно сносится с поверхности материала под действием аэродинамических сил.

Аморфные материалы, к  которым относится и стекло, не имеют четко выраженной точки  плавления: при нагреве они размягчаются постепенно, вязкость их расплава значительная и экспоненциально зависит от обратной температуры 1/T. Указанное обстоятельство предопределяет существование на поверхности аморфных веществ сравнительно толстых пленок расплава, их значительный перегрев относительно температуры «размягчения», а также переход некоторой части расплава в пар. Толщина пленки расплава и перепад температур в ней сильно зависят от сорта стекла и могут достигать очень больших значений .

Иными словами, в отличие  от кристаллических тел нагрев в  газовом потоке аморфных веществ  характеризуется наличием двух фазовых  превращений, каждое из которых не имеет фиксированной точки перехода (точно определенной температуры). Поэтому здесь используется понятие «температуры размягчения», или такой температурной границы, выше которой данное стеклообразное вещество может переходить в пластическое состояние и образовывать пленку расплава.

 

Величина этой температуры  достаточно условна, но можно принять  ее равной механической температуре  стеклования. Последняя определяется как температура, при которой  вязкость, измеренная под напряжением 2×10⁵ Н/м²  10¹³ пуаз, или 10¹² Н×с/м². С учетом указанных отличительных особенностей процесс разрушения аморфных (или стеклообразных) веществ в высокотемпературном газовом потоке называется оплавлением. Суммарный тепловой эффект при этом оказывается выше. Благодаря этому аморфные материалы являются более эффективными теплозащитными покрытиями, чем кристаллические. Однако физическая модель их разрушения, а следовательно, и схема  расчета  оказываются   намного сложнее.

 

 

 

 

  

 Таблица 2

Абляция полимеров в  дозвуковом газовом потоке (испытания на кислородно-ацетиленовой горелке)

Полимер	Линейная скорость уноса  массы, мм/c	Время достижения 200°С на обратной стороне образца, сек
Полипропилен	0,597	9,1
Полиэтилен	0,673	9,4
Политетрафторэтилен	0,523	11,8
Кремнийорганический полимер	0,378	14,5
Фенольная смола	0,157	37,0

 

Табл. 3

Абляция фенольных пластиков при содержании наполнителя около 60%

Наполнитель	Линейная скорость уноса  массы, мм/с	Время достижения 200°С на обратной стороне образца, сек
Стеклоткань	0,112	48,0
Асбестовый войлок	0,081	54,3
Графитовая ткань	0,030	37,0
Кремнеземная ткань	0,028	-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Свойств некоторых теплозащитных материалов.

В данном разделе приводятся характеристики некоторых теплоизоляционных материалов, применяемых в самолётостроении.

Таблица 4

Теплоизоляционный материал ВТИ-3

Назначение	Материал обеспечивает защиту от перегрева поверхностей деталей  летательных аппаратов сложной  конфигурации, а также снижение массы  ЛА.
Характеристики
Плотность, г/см3	0,2-0,5
Температура эксплуатации, °С	От -60 до +260
Отверждение	При комнатной температуре
Теплопроводность, Вт/м°С	0,056-0,069

Таблица 5

Напыляемый теплозащитный материал ВТЗ-1

Назначение	Рекомендуется в качестве тепловой  защиты внешних поверхностей летательных аппаратов из алюминиевых, стальных и титановых сплавов при воздействии температур от -60°С до +500°С, при 600°С - в течение 30 мин, а также при одноразовом воздействии теплового потока с температурой 1300-1400°С - в течение 60 с (при допустимой температуре на подложке до 400°С).
Характеристики
Плотность, г/см3	0,6±0,5
Предел прочности при  сжатии, МПа	5,8-7,4
Предел прочности при  отрыве, МПа	1,8-2,5
Предел прочности при  растяжении, МПа	2,0-2,2
Отверждение	3 слоя при 75±5°С, 3 ч
Теплопроводность, Вт/м°С	0,19-0,22
Способ нанесения покрытия	Напыление, кистевой, шпательный

Силикат циркония

Циркон - силикат циркония, содержащий 66 9 % двуокиси циркония, 32 6 % двуокиси кремния, а также небольшие  количества титана и окислов железа. Высококачественный (обогащенный) циркон используется для производства литейных форм и стержней, которые должны противостоять особо высоким температурам заливки расплава при получении стальных отливок.

Силикат циркония - циркон принадлежит к числу наиболее постоянных акцессорных минералов  изверженных, метаморфических и осадочных пород. Исследование прозрачных шлифов или лучше концентрата немагнитной части остатка тяжелых минералов из горной породы дает представление о примерном содержании циркония. Используется как формовочный материал.

Свойства силиката циркония: циркон состоит из ZrO₂ (63%) и SiO₂ (32%). Это природный минерал плотностью 4,6 г/см³. Температура плавления 2600^oС. Твердость по шкале Мооса 7,5. циркон используют в качестве наполнителя облицовочных смесей и противопригарных красок при изготовлении отливок их стали и чугуна.

Фенольный стеклопластик

Стеклопластик применяют  в основном как конструкционный  и теплозащитный материал при  производстве корпусов транспортных средств, цистерн, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолетов, выхлопных труб, деталей машин и приборов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов а также как электроизоляционный материал а электро- и радиотехнике.

Рис. 5 Схема абляции фенольного стеклопластика.

Однако до недавнего  времени он использовался только в самолетостроении, кораблестроении и космической технике. Широкое применение стеклопластиков сдерживалось, в основном, отсутствием промышленной технологии, позволяющей наладить производство продукции массового потребления.

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные теплозащитные материалы составляют серьёзную конкуренцию жаропрочным материалам. Вследствие этого теплозащитные материалы нашли широкое применения во многих областях техники, в том числе и в авиастроении. Данный вид материалов имеет невысокую стоимость относительно аналогичных жаропрочных материалов при вполне схожих теплозащитных показателях, это является его основным преимуществом.

Однако явление абляции, свойственное определённому виду теплозащитных  материалов, вызывает значительную эрозию поверхности защитного материала, что требует частого обновления теплозащитного слоя.