Герметичное изделие для работы под избыточным давлением

Изобретение относится к конструкциям, работающим в условиях теплового и механического нагружения в окислительной среде, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности. Герметичное изделие выполнено из углерод-карбидокремниевого материала (УККМ), компоненты которого имеют близкий КЛТР. В соответствии с заявляемым техническим решением оно выполнено по всей его толщине или, по крайней мере, со стороны наружной или внутренней поверхности из УККМ на основе каркаса тканепрошивной или объемно-тканой структуры с ориентацией слоев ткани параллельно рабочей поверхности изделия при содержании прошивных или перевязочных нитей 4-8 об.%; при этом материал имеет открытую пористость не более 0,1 %. Прошивные или перевязочные нити каркаса предпочтительно не имеют сквозного прохода с внутренней поверхности изделия на наружную поверхность. Со стороны внутренней и/или наружной поверхности изделия может быть нанесено герметичное покрытие из карбидокремниевого материала с КЛТР, близким к КЛТР УККМ и его компонентов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы изделия в жестких условиях эксплуатации по величине давления и величине окислительного потенциала контактирующей с ним среды. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к конструкциям, работающим в условиях теплового и механического нагружения в окислительной среде, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности.

Известны герметичные изделия для работы под избыточным внутренним давлением, выполненные из УУКМ на основе каркаса из углеродных волокон и углеродной матрицы, в котором углеродные волокна имеют КЛТР, близкий к КЛТР компонентов матрицы.

Герметичное изделие из УУКМ усматривается из способа изготовления герметичных изделий [пат. РФ №2470857, 2012 г. ].

Недостатком изделия является невозможность его использования в окислительной среде.

Наиболее близким к заявляемому является герметичное изделие для работы под избыточным давлением из углерод-карбидокремниевого композиционного материала, компоненты которого имеют близкий КЛТР.

Герметичное изделие из УККМ усматривается из способа изготовления герметичных изделий [пат. РФ №2480433, 2013 г. ].

Выполнение герметичного изделия из УККМ обеспечивает возможность его использования для работы под избыточным давлением в условиях окислительной среды.

Тем не менее при работе изделия в жестких условиях эксплуатации, а именно: при высоком избыточном давлении и высоком окислительном потенциале контактирующей с ним среды, возрастает вероятность увеличения величины потока среды через стенки изделия вплоть до полной утраты работоспособности из-за потери герметичности изделия. Обусловлено это тем, что при значительной величине потока окислительной среды через стенку изделия возрастает степень окисления глубинных слоев УККМ, в результате чего лавинообразно возрастает проницаемость материала, и как следствие, величина указанного потока, что в конечном итоге ведет к потере несущей способности армирующих слоев углеродной ткани и в целом материала.

Задачей изобретения является не только обеспечение возможности, но и повышение надежности работы изделий в жестких условиях эксплуатации по величине давления и величине окислительного потенциала контактирующей с ним среды.

Поставленная задача решается за счет того, что герметичное изделие из УККМ, компоненты которого имеют близкий КЛТР, в соответствии с заявляемым техническим решением выполнено по всей его толщине - или по крайней мере со стороны наружной или внутренней поверхности - из УККМ на основе каркаса тканепрошивной или объемно-тканой структуры с ориентацией слоев ткани параллельно рабочей поверхности изделия при содержании прошивных или перевязочных нитей 4-8 об.%; при этом материал имеет открытую пористость не более 0,1%.

В одном из предпочтительных вариантов конструктивного выполнения изделия прошивные или перевязочные нити каркаса не имеют сквозного прохода с внутренней поверхности изделия на наружную поверхность.

Еще в одном предпочтительном варианте конструктивного выполнения изделия со стороны его внутренней и/или наружной поверхности имеется герметичное покрытие из карбидокремниевого материала с КЛТР, близким к КЛТР УККМ и его компонентов.

Выполнение изделия по всей его толщине - или по крайней мере со стороны его наружной или внутренней поверхности - из УККМ на основе каркаса тканепрошивной или объемно-тканой структуры с ориентацией слоев ткани параллельно рабочей поверхности позволяет сориентировать участки с наибольшим содержанием углерод-карбидокремниевой или карбидокремниевой матрицы, расположенные между слоями ткани, в направлении перпендикулярном кратчайшему пути прохождения рабочей среды, т.е. по толщине изделия. В свою очередь это позволяет осуществить эффективную защиту от окисления каждого из слоев углеродного наполнителя тканевой структуры и тем самым сохранить на всем протяжении работы изделия несущую способность УККМ.

Причем эта способность к эффективной защите слоев углеродного наполнителя (и не только наполнителя, но и в целом УККМ) обеспечивается также более низкой проницаемостью материала в указанном направлении (установлено нами экспериментально путем определения коэффициента газопроницаемости УККМ вдоль и поперек направления слоев углеродной ткани).

Содержание прошивных или перевязочных нитей в пределах 4-8 об.% обеспечивает с одной стороны достаточно высокую межслоевую прочность УККМ (и как следствие- длительную работу материала как единое целое), с другой стороны, позволяет ограничить поток рабочей среды через частично уплотненные матричным материалом прошивные или перевязочные нити, соединяющие внутреннюю и наружную поверхность изделия по кратчайшему пути (по толщине изделия).

При содержании прошивных или перевязочных нитей менее 4 об.% велика вероятность расслоения материала (даже на технологических переделах) с вытекающими отсюда последствиями.

При содержании более 8 об.% существенно увеличивается величина потока среды через стенку изделия.

Отсутствие сквозного прохода прошивных или перевязочных нитей в каркасе с внутренней поверхности изделия на наружную поверхность (в предпочтительном варианте конструктивного выполнения изделия) позволяет дополнительно ограничить поток рабочей среды через его стенку, т.к. указанные нити не образуют сквозные каналы, соединяющие по кратчайшему расстоянию внутреннюю и наружную поверхность изделия.

Выполнение изделия из УККМ, имеющего открытую пористость не более 0,1% (3-ий из рассматриваемых признаков), позволяет благодаря низкой проницаемости материала существенно уменьшить величину потока рабочей среды, проходящей через стенку изделия при высоком избыточном давлении, и тем самым уменьшить ее механическое и химическое воздействие на армирующие слои материала и в целом на материал изделия в начальный момент его эксплуатации.

В совокупности же с 1-ым из рассмотренных признаков 3-ий признак обеспечивает (благодаря эффективной защите от окисления каждого из слоев углеродного наполнителя) сохранение низкой величины потока рабочей среды, проходящей через стенку изделия, и тем самым позволяет уменьшить ее механическое и химическое воздействие на армирующие слои материала, и на материал в целом, на всем протяжении работы изделия под высоким избыточным давлением.

Наличие со стороны внутренней и/или наружной поверхности герметичного покрытия из карбидокремниевого материала с КЛТР, близким к КЛТР УККМ и его компонентов (в предпочтительном варианте конструктивного выполнения изделия), позволяет, с одной стороны, дополнительно снизить его проницаемость, с другой стороны - защитить УККМ от интенсивного окисления. Выполнение изделия из УККМ с открытой пористостью более 0,1% приводит к недопустимому увеличению потока рабочей среды через стенку изделия и, как следствие, к более активному окислению глубинных слоев материала с постепенной потерей их несущей способности.

В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать изделию работоспособность и сохранить ее на всем протяжении работы изделия в средах с высоким окислительным потенциалом и при большой величине избыточного давления.

Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: не только обеспечивается возможность, но и повышается надежность работы изделий в жестких условиях эксплуатации по величине давления и величине окислительного потенциала контактирующей с ним среды.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображено изделие, выполненное по всей толщине из УККМ на основе каркаса тканепрошивной или объемно-тканой структуры с ориентацией слоев ткани (1) параллельно рабочей поверхности (2), а на фиг. 3 и 4 изделие или его часть выполнены из такого же типа УККМ только со стороны одной из поверхностей (наружной или внутренней), а с противоположной поверхности - с ориентацией слоев ткани (3) - под углом к рабочей поверхности (2).

В статике герметичное изделие можно охарактеризовать следующим образом.

Изделие выполнено из УККМ, компоненты которого имеют близкий КЛТР. Изделие выполнено по всей толщине или по крайней мере со стороны наружной или внутренней поверхности, - из УККМ на основе каркаса тканепрошивной или объемно-тканой структуры с ориентацией слоев ткани параллельно рабочей поверхности изделия при содержании прошивных или перевязочных нитей (4) 4-8 об.%; при этом материал имеет открытую пористость не более 0,1%.

При заявляемом конструктивном выполнении изделия снижается величина газового потока, проходящего через стенку изделия, за счет уменьшения проницаемости УККМ. Экспериментально установлено, что коэффициент газопроницаемости УККМ плотностью 1,60 г/см³ и открытой пористостью 0,1% перпендикулярно слоям ткани равен 4,5×10^-15 см² в то время как вдоль слоев ткани 34,5×10^-15 см². Соответственно величина газового потока, проходящего через образец площадью 5,4 см² и толщиной 2,29 см, в направлении перпендикулярном слоям ткани составляет 1,91×10^-4 Вт в то время как вдоль слоев ткани - 9,56×10^-4 Вт при давлении газовой среды 4,56 кгс/см².

Наличие на изделии со стороны его внутренней и/или наружной поверхности герметичного покрытия из карбидокремниевого материала с КЛТР, близким к КЛТР УККМ и его компонентов, позволяет дополнительно уменьшить величину газового потока, проходящего через стенку изделия.

Герметичное изделие в соответствии с заявляемой конструкцией работает следующим образом.

Рабочая среда с высоким окислительным потенциалом воздействует под избыточным давлением при высокой температуре на рабочую поверхность изделия.

Избыточное давление на рабочую поверхность изделия создается за счет нагнетания в него под давлением рабочей среды (или в результате сгорания топлива, продукты сгорания которого создают давление).

Благодаря заявленному конструктивному выполнению изделия существенно минимизируется величина потока рабочей среды через стенку изделия.

Тем самым рабочая среда в основном воздействует на рабочую поверхность изделия, в результате чего в первоначальный момент происходит интенсивное окисление контактирующего с ней слоя материала (или герметичного покрытия в предпочтительном варианте выполнения конструкции изделия), а глубинные слои материала, в том числе слои углеродной ткани, практически не окисляются и сохраняют высокую несущую способность.

Образующийся при окислении материала расплав кварцевого стекла защищает в последующем материал от интенсивного окисления.

Тем самым сохраняется несущая способность большей части толщины стенки изделия, а, значит, его длительная работоспособность.

Тем самым увеличивается надежность работы изделия в жестких условиях эксплуатации по величине давления и величине окислительного потенциала контактирующей с ним среды.

1. Герметичное изделие для работы под избыточным давлением, выполненное из углерод-карбидокремниевого композиционного материала (УККМ), компоненты которого имеют близкий КЛТР, отличающееся тем, что оно выполнено по всей толщине - или по крайней мере со стороны наружной или внутренней поверхности - из УККМ на основе каркаса тканепрошивной или объемно-тканой структуры с ориентацией слоев ткани параллельно рабочей поверхности изделия при содержании прошивных или перевязочных нитей 4-8 об.%; при этом материал имеет открытую пористость не более 0,1%.

2. Герметичное изделие по п. 1, отличающееся тем, что прошивные или перевязочные нити в УККМ изделия не проходят на всю его толщину.

3. Герметичное изделие по п. 1, отличающееся тем, что со стороны его внутренней и/или наружной поверхности имеется герметичное покрытие из карбидокремниевого материала с КЛТР, близким к КЛТР УККМ и его компонентов.