Введение к работе
Актуальность работы:
Разработка новых летательных аппаратов (ЛА) с высокими скоростями полетов диктует необходимость создания новых материалов, которые позволят работать в условиях все более высоких температур и нагрузок при одновременном снижении массы аппаратов.
К таким материалам, несомненно, относятся композиционные материалы (КМ), с металлическими и керамическими матрицами армированными волокнами тугоплавких оксидов, в первую очередь оксида алюминия. Непрерывные поликристаллические волокна (ПКВ) оксида алюминия придают КМ высокие значения удельной прочности и жесткости, термической стойкости, износостойкость, низкие значения коэффициента теплового расширения и удельной массы. В отличие от керновых (борных, карбида кремния) и монокристаллических волокон оксида алюминия (корундовых), непрерывные ПКВ оксида алюминия из-за их малого диаметра обладают большей гибкостью, что дает возможность придавать композиционным материалам необходимую форму со сложной геометрией. Не менее важным преимуществом разрабатываемых волокон является их значительно меньшая стоимость по сравнению с керновыми и монокристаллическими волокнами, что открывает широкие перспективы их применения не только в авиационной, космической и военной технике, но и в других отраслях промышленности, таких как энергетическая или автомобильная.
КМ с металлической матрицей в перспективе будут применяться для изготовления обшивок планера и крыла ЛА, в том числе беспилотных, лопастей вертолетных двигателей, корпуса вентилятора ГТД, крепежных элементов, антенн и других деталей авиационной и космической техники. Из КМ с керамическими матрицами планируется изготавливать элементы камер внутреннего сгорания, турбин высокого и низкого давления: отражатели и заслонки газового потока, жаровые трубы, газовые фильтры и прочие элементы ГТД, включая вектор тяги. Применение таких КМ в сильно нагруженных элементах, выполняемых в настоящее время из стали, титана и плотной керамики, позволит значительно улучшить технические характеристики летательных аппаратов и существенно снизить массу изделия.
В России после распада СССР и ликвидации поставщиков специализированного сырья, производство волокон прекратилось. Поэтому для выполнения поставленной цели - создания непрерывных поликристаллических волокон оксида алюминия, также необходимо было решить задачу по восстановлению производства сырьевых компонентов.
Степень разработанности
Анализ научных трудов, охранных документов, сайтов организаций по видам, свойствам и технологии изготовления поликристаллических оксидных волокон свидетельствует о значительном объеме знаний, накопленных в данной области. В некоторых зарубежных странах (США, Япония, Германия) осуществляется промышленное производство данного вида волокон.
В работах Щетанова Б.В. и Кондратенко А.В. изложены основы технологии изготовления непрерывных волокон АЬОз-ЗЮг, в частности, выделен ряд соединений алюминия, которые целесообразно применять для изготовления поликристаллических волокон, показаны преимущества поливинилового спирта в качестве волокнообразующего полимера, разработан способ «шахтного» формования, спроектирована и изготовлена в ВИАМ опытно-промышленная установка формования непрерывных волокон состава Al203-Si02, получены образцы трощено-крученой нити и ткани. Накопленный опыт в области изготовления поликристаллических волокон и имеющееся опытное оборудование использовались в настоящей работе для разработки технологии изготовления непрерывных поликристаллических волокон (ПКВ) с высоким содержанием А12Оз для армирования композиционных материалов.
Цель работы; создание непрерывных ПКВ оксида алюминия для композиционных материалов.
Основные задачи:
-
Провести анализ отечественного сырья на его пригодность для изготовления непрерывных ПКВ с высоким содержанием А120з.
-
Синтезировать и исследовать оксихлорид алюминия — прекурсор А120з для изготовления непрерывных ПКВ.
-
Разработать формовочный раствор и рецептуру его изготовления для получения непрерывных ПКВ с содержанием А120з более 99 % мае.
-
Исследовать процесс и условия формования непрерывных волокон и установить влияние параметров формования на их прочность.
-
Исследовать влияние режимов термообработки на процессы, протекающие в волокнах, включая формирование стабильной фазы а-А120з-
-
Изготовить экспериментальные образцы волокон с содержанием кристаллической фазы А120з не менее 99 % мае. для армирования композиционных материалов.
Научная новизна:
1. Впервые установлено, что для стабильного формования прочных волокон оксида алюминия необходимым является содержание в растворе оксихлорида алюминия (прекурсора А12Оз) трех составляющих: мономеров, олигомеров и полимеров при соответствующих их отношениях, а также должны соблюдаться
определенные отношения А1/С1 и реакционной способности ОН-групп. Для определения численных значений составляющих ОХА был использован ферроновый метод.
2. Установлена зависимость электропроводности растворов ОХА от количественного содержания в них полимерной составляющей катионов алюминия, на основе которой предложен новый метод контроля качества ОХА.
Практическая значимость:
Созданы непрерывные поликристаллические волокна (ПКВ) с содержанием А1203 99 % мае, с рабочей температурой не менее 1000 С, с прочностью 2200 МПа и модулем упругости до 190 ГПа, прекурсорами которых являются водорастворимые соединения алюминия.
Созданные волокна позволят получать композиционные материалы с металлическими, керамическими и другими матрицами с более высоким уровнем эксплуатационных свойств для применения в гражданской и военной технике.
Отработаны приемы доведения состава и свойств коммерчески доступных оксихлоридов алюминия до требуемого уровня, позволяющего обеспечить возможность их использования в качестве прекурсоров непрерывных ПКВ оксида алюминия, что значительно снизит стоимость волокон и материалов с их применением.
Предложен метод экспресс-контроля качества оксихлорида алюминия по электропроводности его растворов, позволяющий значительно сократить время испытаний.
Достоверность и обоснованность результатов исследования: применение для исследования стандартных поверенных и аттестованных средств измерения, методов исследования (ферронового метода, электронной микроскопии, ренттено-фазового анализа и др.), которые надежно зарекомендовали себя в мировой практике, статистической обработки результатов исследования большого количества образцов обеспечивают достоверность и обоснованность результатов работы.
Личный вклад соискателя: соискателем лично получены волокна с содержанием AI2O3 99 % мае. и прочностью 2200 МПа. С помощью ферронового метода установлена взаимосвязь между составом и свойствами прекурсора оксихлорида алюминия, условиями его синтеза, свойствами формовочных растворов и микрокристаллической структурой волокон а-АЬОз. Определено влияние технологических параметров каждой технологической стадии изготовления волокон на их прочность. Установлена зависимость электропроводности оксихлорида алюминия от количественного содержания в нем полимерной составляющей и предложен метод экспресс-контроля качества оксихлорида алюминия.
Внедрение результатов работы: На основании проведенных исследований созданы технологии синтеза оксихлорида алюминия (прекурсора AI2O3) и волокон с
содержанием AI2O3 не менее 99% мае, оформлена нормативно-техническая документация для опытно-промышленного производства.
Апробация работы: основные результаты докладывались на 29-й международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», 2009 год, г. Ялта и на Президиуме НТС института с представителями от Заказчика.
Публикации: основные результаты отражены в 7 научных публикациях, включая 2 публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК и 1 патенте.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы из 132 наименований, содержит 46 рисунков, 38 таблиц, изложена на 152 страницах машинописного текста.
