Композиция теплозащитного покрытия
Владельцы патента RU 2601308:
Открытое акционерное общество "Композит" (ОАО "Композит") (RU)
Изобретение относится к теплозащитным покрытиям, предназначенным для защиты внутренних поверхностей прямоточных воздушно-реактивных двигателей от воздействия высокоэнтальпийных потоков продуктов сгорания топлива с высокими скоростями обтекания (200-300 м/с), температурой горения ~2000°С в окислительной среде. Композиция теплозащитного покрытия содержит тканый наполнитель и связующее. Отличающаяся тем, что в качестве тканого наполнителя содержит облегченную кремнеземную ткань, в качестве связующего - бутадиен-нитрильный карбоксилатный латекс, который дополнительно содержит карбид кремния дисперсностью 5-7 мкм, при следующем соотношении (мас.%): облегченная кремнеземная ткань 40-55; бутадиен-нитрильный карбоксилатный латекс 35-40; карбид кремния 10-20. Технический результат заключается в повышении тактико-технических характеристик твердотопливных воздушно-реактивных двигателей в условиях высокотемпературного газового воздушного потока за счет снижения массы теплозащиты. 2 табл.
Изобретение относится к области технологии изготовления ракетных двигателей на твердом топливе, а именно к теплозащитным покрытиям, предназначенным для защиты внутренних поверхностей прямоточных воздушно-реактивных двигателей от воздействия высокоэнтальпийных потоков продуктов сгорания топлива с высокими скоростями обтекания (200-300 м/с), температурой горения ~2000°С в окислительной среде.
Известен состав для получения теплозащитного покрытия, содержащий полые керамические микросферы в качестве наполнителя, в качестве полимерного связующего - латекс и технологические добавки (RU 2311397 С2, 23.12.2005), выдерживающий резкий перепад в области рабочих температур от минус 60 до плюс 260°С, обладающий низкой теплопроводностью.
Известна латексная композиция для теплозащитного материала, включающая латекс каучука (цис-1,4 полиизопрена) в качестве связующего, вулканизующие (оксид цинка, диэтилдитиокарбамат цинка, сера) и технологические (метилцеллюлоза) добавки, а также полые микросферы (фенолоформальдегидные и стеклянные) в качестве наполнителя (SU 1840662 А1, 10.07.2008). Теплозащитный материал имеет низкую плотность и теплопроводность, высокую величину эффективной энтальпии.
Недостатками известных составов для получения теплозащитного покрытия являются низкая прочность при растяжении, которая составляет 2,7-3,5 МПа, и недостаточная устойчивость к воздействию высоких температур (рабочая температура покрытий не превышает 260°С), особенно при воздействии высокоэнтальпийных потоков продуктов сгорания топлива с температурой горения ~2000°С.
Прототипом предлагаемого изобретения является композиция, изготовленная на основе фенолоформальдегидного связующего и кремнеземных лент или ткани КЛ-11-ТО (материал П-5-7 ЛДП, ГОСТ 17731-79), широко применяемая для теплозащиты твердотопливных двигателей, работающих кратковременно в условиях высоких температур.
Данная композиция обладает достаточно высокой эрозионной стойкостью в продуктах сгорания твердого топлива только в восстановительной среде с температурой горения топлива вплоть до 3400°С и скоростями обтекания до 300 м/с. К положительным моментам композиции можно отнести высокую технологичность нанесения на внутренние поверхности двигателей (материал перерабатывается методом намотки с последующей термообработкой под давлением). Существенными недостатками композиции является высокая теплопроводность (0,41-0,45 Вт/м·°С), низкая деформативность (относительное удлинение при разрыве ~0,5%). Недостатком композиции также является то, что имея малые массовые потери (скорости уноса) в восстановительной среде, она резко увеличивает их в окислительной среде в камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Названные выше недостатки обусловлены компонентным составом композиции.
Целью данного изобретения является снижение массовых потерь (скоростей уноса) теплозащиты в условиях работы прямоточных воздушно-реактивных двигателей (температура горения топлива 2000°С, время работы 200 с, наличие окислительного потенциала продуктов горения).
Для достижения указанной цели в известной композиции для получения теплозащитного покрытия в качестве тканного наполнителя используется облегченная кремнеземная ткань, а в качестве полимерного связующего используется бутадиен-нитрильный карбоксилатный латекс с противоокислительной добавкой в виде порошка карбида кремния дисперсностью 5-7 мкм при следующем соотношении компонентов (мас.%):
| бутадиен-нитрильный карбоксилатный латекс, содержащий 7% технического углерода и 9% технологических и вулканизирующих добавок | 35-40 |
| карбид кремния | 10-20 |
| облегченная кремнеземная ткань марки МКТО-3-300 | 40-55 |
операции изготовления покрытия:
- подготовка кремнеземной стеклоткани;
- приготовление связующего путем смешения латекса и карбида кремния;
- пропитка с одной стороны стеклоткани связующим;
- сушка при комнатной температуре в течение 24 ч;
- пропитка с другой стороны стеклоткани связующим;
- сушка при комнатной температуре в течение 24 ч (пропитанная с обоих сторон стеклоткань и высушенная в течение 24 ч является полуфабрикатом композиции теплозащитного покрытия);
- раскрой полученного полуфабриката на заготовки необходимого размера;
- выкладка слоев полуфабриката, набор необходимой толщины;
- горячее прессование при Т=150°С в течение 4 ч и давлении 10-12 кгс/см;
- финальная механическая обработка.
Примеры изготовления предлагаемой композиции теплозащитного приведены в таблице 1. В этой же таблице приведены также примеры композиций прототипа и аналога при определенных соотношениях компонентов. Все композиции изготавливались в соответствии с нормативно-технической документацией, действующей в отрасли.
Доказательство полученного положительного эффекта и существенных отличий представлены в таблице 2.
Анализ данных, представленных в таблице 2, показывает, что у теплозащитного покрытия на основе предлагаемой композиции по сравнению с композицией прототипа массовый унос в условиях высокотемпературного газового потока примерно на 40% меньше, а по сравнению с композицией аналога на порядок увеличена прочность.
Следует отметить, что эффект снижения массового уноса предлагаемой композиции в условиях высокотемпературного газового потока не является очевидным, что подтверждается анализом данных, представленных в таблицах 1, 2 (рецептура 4 заявляемой композиции, содержащая карбид кремния дисперсностью 10-12 мкм, имеет массой унос на уровне прототипа).
Применение предложенной композиции теплозащитного покрытия позволит повысить тактико-технические характеристики твердотопливных воздушно-реактивных двигателей за счет снижения массы теплозащиты.
Композиция теплозащитного покрытия, содержащая тканый наполнитель и связующее, отличающаяся тем, что в качестве тканого наполнителя содержит облегченную кремнеземную ткань, а в качестве связующего - бутадиен-нитрильный карбоксилатный латекс, который дополнительно содержит карбид кремния дисперсностью 5-7 мкм, при следующем соотношении (мас.%):
| облегченная кремнеземная ткань | 40-55 |
| бутадиен-нитрильный карбоксилатный латекс | 35-40 |
| карбид кремния | 10-20 |
