Теплобронезащитная слоистая система

Изобретение относится к средствам для защиты оборудования от воздействия высоких температур и открытого огня и может быть использовано в химической, атомной и других областях науки и техники. Система содержит соединенные между собой каркасные, упрочненные, теплоизолирующие и дополнительно композиционные слои. Упрочненные слои выполнены из керамического материала на основе карбидов, преимущественно бора, или титана, или кремния, или их боридов, или оксида алюминия, или их смесей. Каркасные слои выполнены из металлов или сплавов на основе титана, алюминия, железа. Теплоизолирующий слой выполнен из неорганических соединений из группы силицидов, или силикатов, композиционных, или волокнистых, или тканых материалов. Композиционные слои выполнены на основе тканых углеродных или кремнийсодержащих волокон. Система ограничена по всей наружной поверхности металлическим корпусом. Все слои системы соединены между собой высокотемпературным адгезивом. Относительно охраняемого объекта первым расположен теплоизоляционный слой, затем каркасный металлический и упрочненный керамический, обжатый с двух сторон композиционными слоями. Изобретение обеспечивает возможности защиты охраняемого объекта от воздействия одновременно от теплового потока и от разрушающего элемента за счет повышения механической прочности системы и показателей теплозащиты при одновременном сохранении массы готового изделия. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области средств для защиты оборудования от механического воздействия и воздействия высоких температур (в т.ч. открытого огня) и может быть использовано в химической, атомной и других областях науки и техники.

Известна защитная слоистая система, содержащая прочностные, теплоизолирующие слои, выполненные из теплоизоляционных упрочненных материалов (патент РФ №2134396, МПК F41H 1/02, публ. 10.08.l999 г., БИ №6/05).

К недостаткам аналога относится отсутствие возможности обеспечения защиты одновременно и от теплового потока и от поражающего механического фактора, т.к. используемые в известной системе материалы не отвечают требованиям повышенной механической и термопрочности (в тепловом поле более 1000°С), предъявляемым к объектам повышенной чувствительности к указанным факторам.

В качестве наиболее близкого к заявляемому известна защитная слоистая система (патент РФ №2247301, МПК F41H 1/02, публ. 27.02.2005 г., БИ №6/05), содержащая слои теплоизоляционных и механически прочных материалов.

К недостаткам прототипа относится отсутствие возможности обеспечения защиты одновременно и от теплового потока (в тепловом поле более 1000°С), и от поражающего механического фактора, т.к. используемые в известной системе материалы не отвечают требованиям повышенных одновременно механической прочности и термостойкости, предъявляемым к объектам повышенной чувствительности к указанным факторам.

Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка теплобронезащитной слоистой системы, отвечающей требованиям, предъявляемым к объектам (емкости с огнеопасными материалами и жидкостями, взрывоопасными материалами, приборам), характеризующимся повышенной чувствительностью к факторам открытого огня, теплового потока с температурой свыше 1000°С, поражающим элементам.

Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой теплобронезащитной слоистой системы, заключается в обеспечении возможности защиты охраняемого объекта от воздействия одновременно открытого огня, теплового потока (с температурой свыше 1000°С) разрушающего фактора за счет повышения механической прочности системы и одновременно показателей теплозащиты при одновременном сохранении массы готового изделия.

Дополнительные технические результаты заключаются в повышении теплозащитных свойств и в улучшении прочностных свойств системы.

Указанные задача и новые технические результаты достигаются тем, что в известной теплобронезащитной слоистой системе, содержащей соединенные между собой каркасные, упрочненные и теплоизолирующие слои, в соответствие с предлагаемой в качестве упрочненных слоев она содержит керамический материал на основе карбидов, преимущественно бора, или титана, или кремния, или их боридов или оксида алюминия, или их смесей, в качестве каркасных слоев металлы или сплавы на основе титана, алюминия, железа, а в качестве теплоизолирующего слоя неорганические соединения из группы силицидов, или силикатов, композиционные или волокнистые или тканые материалы, и дополнительно слои из композиционного материала на основе тканых углеродных или кремнийсодержащих волокон, система ограничена по всей наружной поверхности металлическим корпусом, все слои системы соединены между собой высокотемпературным адгезивом, при этом все слои системы относительно охраняемого объекта расположены таким образом, что первым является теплоизоляционный слой, затем каркасный металлический, затем упрочненный керамический, обжатый с двух сторон композиционными слоями.

Кроме того, теплобронезащитная слоистая система в качестве теплоизолирующих слоев содержит отформованные волокнистые материалы углеродные или базальтовые, или кремнеземные.

Кроме того, теплобронезащитная слоистая система в качестве теплоизолирующих слоев содержит отформованные порошковые материалы.

Предлагаемый способ поясняется следующим образом.

Первоначально набирают пакет из различных функциональных слоев - каркасного, упрочненного и теплоизолирующего. Для этого сначала берут каркасный слой из металла, на нем формируют керамический слой, обжатый двумя или более композиционными слоями. Каркасных слоев может быть несколько в зависимости от практической задачи. С внутренней стороны (относительно охраняемого объекта) формируют слой теплоизоляции с использованием высокотемпературного адгезива.

В качестве защищаемого объекта (фиг.1), чувствительного к воздействию высоких температур, поражающих факторов (механических перемещающихся предметов - инденторов или осколочных элементов) и открытого огня предусматривается полимерный материал, характеризующийся повышенной огне- и взрывоопасностью.

Первый слой по отношению к объекту защиты выполняют из теплоизоляционного материала (силикатов, силицидов или углеродных, или кремнеземных, или базальтовых, или тканых и т.п.). Однако в случае охраняемого объекта сложного профиля для защитной системы формообразующую функцию может выполнять каркасный слой. Этот слой покрывают также слоем высокотемпературного адгезива. Затем на слой адгезива укладывают теплоизоляционный слой и опять каркасный, в качестве которого используют металлический слой (алюминиевый сплав, титановый сплав, сталь типа Х18Н10Т), на который наслаивают (в зависимости от поставленной задачи) слои композита, представляющего собой слои углеткани, или ткани на основе кремнийсодержащего материала, пропитанные адгезивом на силикатном связующем, за которым следует слой керамики, затем повторно слои композита (слой ткани - адгезив). Снаружи сборка ограничена металлическим корпусом (сталь, титановый сплав), который защищает все внутренние слои от агрессивных реагентов (вода, кислота, щелочь, соль) от открытого огня, от поражающего фактора.

Теплобронезащитная слоистая система, собранная указанным выше образом, является наиболее оптимальной по проявлению защитной функции при испытаниях на воздействие всех трех видов воздействующих факторов - одновременно поражающего, открытого огня и высокотемпературного поля. Это обеспечивается за счет того, что воздействующая на кожух деформирующая нагрузка постепенно гасится при переходе от слоя к слою, последовательно распределяясь в них в направлении к защищаемому объекту в соответствии с функциональными возможностями каждого слоя, и окончательного гашения и механического и теплового разрушающего фактора в примыкающих к защищаемому объекту слоях.

Деформирующий импульс поражающего элемента в направлении своего воздействия на защищаемый объект встречает на своем пути сначала металлический корпус системы, за которым размещены указанные выше слои - керамический (упрочненный), с двух сторон обжатый композитом, внутренний каркасный и теплоизоляционные слои, которые проявляют себя и как демпфирующие слои за счет упругих свойств - композиционных и теплоизоляционных слоев. Металлический корпус экранирует от деформирующего воздействия поражающего фактора внутренние слои, воспринимает первые механические повреждения, в том числе нагрузки при погрузочно-разгрузочных работах, при эксплуатации. При повреждении металлического слоя керамический слой воспринимает механическое воздействие индентора, окончательно разрушив его на мелкие части, и сам частично разрушается. Образовавшиеся осколки от разлета удерживаются примыкающими слоями композита. Совокупно все слои обеспечивают защиту объекта при длительном воздействии высоких температур (от 30 минут до 1 часа) и совместно с внутренними слоями обеспечивают снижение температуры до допустимой, некритичной для объекта, характеризующегося повышенными огне- и взрывоопасностью.

При этом слои керамики и металлические слои надежно соединены более подвижные композиционными слоями, допускающими относительное смещение слоев системы без разрушения ее целостности.

Система в целом оптимально отвечает высоким требованиям по механической и термопрочности, т.к. у материалов, используемых в качестве каркасного слоя и теплоизоляционных слоев проявляется свойство повышенной стойкости как к открытому огню, так и к повышенным температурам, поскольку температура плавления этих материалов много выше, чем температурные режимы эксплуатации защищаемого объекта.

На фиг.1 изображено поперечное сечение слоистого кожуха с помещенным в него объектом защиты, где 1, 2 - теплоизоляционный слой, 3 - высокотемпературный адгезив, 4 - каркасный металлический слой, 5, 7 - композит (углеткань), 6 - керамический слой, 8 - наружный каркасный слой (корпус). Каркасные металлический и керамический слои функционально являются поглотителями кинетической энергии механического разрушающего фактора (например, индентора).

На фиг.2 представлен график зависимости температуры объекта при длительном воздействии огня на объект защиты. Из графика видно, что объект при воздействии температурного поля 1250°С в течение времени эксперимента 1 час прогревается с выходом на независимую от времени постоянную величину температуры, не превышающую работоспособный предел температур 80°С.

Кроме того, использование композиционных слоев в составе предлагаемой бронезащитной слоистой системы взамен тяжеловесных прочностных слоев, присутствующих в прототипе, способствует сохранению массы готового изделия, обеспеченной в прототипе.

Дополнительный технический результат - повышение теплозащитных свойств - обеспечивается тем, что и порошкообразные и волокнистые материалы на основе силикатов и силицидов характеризуются повышенными пористостью и наличием воздушной составляющей, что способствует значительному снижению теплопроводности.

Дополнительный технический результат повышения прочности сборки защитной системы обеспечивается использованием высокотемпературного адгезива, соединяющего между собой все слои в композите, за счет чего повышается надежность сборки системы слоев и в целом и ее высокая теплостойкость. Это существенно повышает механическую прочность и термопрочность при воздействии температурных максимумов (1200°С).

В прототипе не отмечено сочетание одновременно высокой теплостойкости и высокой механической прочности из-за отсутствия требуемого сочетания термо- и механически прочных слоев и агента их соединения. На этом основании преимущества предлагаемой бронезащитной системы значительно выше, чем у прототипа.

Таким образом, применение предлагаемой теплобронезащитной слоистой системы обеспечивает возможность защиты охраняемого объекта от воздействия одновременно от теплового потока и от разрушающего фактора за счет повышения механической прочности системы и улучшения показателей теплозащиты при одновременном снижении массы готового изделия.

Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами выполнения.

Пример 1.

Экспериментально была получена предлагаемая теплобронезащитная слоистая система по следующей технологической схеме (фиг.1).

В качестве защищаемого объекта (1), чувствительного к воздействию высоких температур, поражающих механических факторов и открытого огня, взят объект (деталь) из огнеопасного полимера - полиамид марки 610, который помещают в защитный слоистый кожух системы после его изготовления (перед испытаниями).

В защитном кожухе первый по отношению к объекту защиты слой выполнен из теплоизоляционного материала - материала на силикатной основе марки ШЛ-04, наружная поверхность которого покрыта адгезивом марки ТПК-2 толщиной ~ 0,5 мм. Металлический слой на основе сплава Х18Н10Т ГОСТ5632-86 толщиной ~ 1,0 мм в качестве механически прочного слоя, на который наслаивают слой композита, представляющего собой слои углеткани марки ТГН-2 М ТУ 48-80-19-86, пропитанные адгезивом на силикатном связующем, в условиях данного примера - клеевой композицией марки (ТПК-2 ТУ 1-595-24-91), за которым следует слой керамики в виде плитки толщиной ~ 10 мм (в условиях данного примера плитки из карбида кремния). На плитки наносят термостойкий клей ТПК-2 ТУ 1-595-24-91, на который наматывается с заданным натяжением углеткань ТГН-2М ТУ ТУ 48-80-19-86, пропитанная высокотемпературным клеем (адгезив на силикатной основе - клей марки ТПК - 2). На внутреннюю поверхность металлического слоя выкладывали теплоизоляционный материал - на основе углевойлока по ТУ РБ 00204056.104-97, пропитанный адгезивом. Полученная сборка помещалась в наружный металлический корпус из стали Х18Н10Т толщиной 5 мм.

В защитный кожух, выполненный указанным выше образом, устанавливают охраняемый объект, после чего кожух направляют на контрольные испытания, данные по которым сведены в таблицу 1.

Как показали эксперименты, использование предлагаемой теплобронезащитной системы обеспечивает возможность защиты охраняемого объекта от воздействия одновременно и от теплового потока и от разрушающего фактора за счет повышения механической прочности системы и улучшения показателей теплозащиты при одновременном сохранении массы готового изделия.

Пример 2.

Теплоизоляционный слой выполнен из кремнеземного волокна - войлока толщиной ~ 30 мм, каркасный металлический слой выполнен из титанового сплава ОТ4-1-1 толщиной 1,5 мм, керамический слой в виде плитки выполнен из карбида бора толщиной ~ 9,5 мм, корпус выполнен из титанового сплава марки ВТ-1-0 толщиной ~ 4 мм.

Пример 3.

То же, что и в примере 2, только теплоизоляционный слой выполнен из углевойлока толщиной ~ 30 мм.

Как показали эксперименты, предлагаемая теплобронезащитная система обеспечивает возможность защиты охраняемого объекта от воздействия одновременно открытого огня, теплового потока (с температурой свыше 1000°С) разрушающего фактора за счет повышения механической прочности системы и одновременно показателей теплозащиты при одновременном сохранении массы готового изделия.

1. Теплобронезащитная слоистая система, содержащая соединенные между собой каркасные, упрочненные и теплоизолирующие слои, отличающаяся тем, что упрочненные слои выполнены из керамического материала на основе карбидов, преимущественно бора, или титана, или кремния, или их боридов, или оксида алюминия, или их смесей, каркасные слои выполнены из металлов или сплавов на основе титана, алюминия, железа, а теплоизолирующий слой выполнен из неорганических соединений из группы силицидов или силикатов, композиционных, или волокнистых, или тканых материалов, дополнительно снабжена слоями из композиционного материала на основе тканых углеродных или кремнийсодержащих волокон, при этом ограничена по всей наружной поверхности металлическим корпусом, все слои системы соединены между собой высокотемпературным адгезивом, а относительно охраняемого объекта первым расположен теплоизоляционный слой, затем каркасный металлический и упрочненный керамический, обжатый с двух сторон композиционными слоями.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что теплоизолирующие слои выполнены из отформованных углеродных, или базальтовых, или кремнеземных волокнистых материалов.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что теплоизолирующие слои выполнены из отформованных порошковых материалов.