Введение к работе
Актуальность проблемы. В научно-техническом прогрессе производства любых изделий значительную роль играют новые материалы и технологии. Технология порошковой металлургии позволяет изготавливать материалы с широким комплексом свойств, которые невозможно получить другими способами. Одним из ее важнейших направлений является создание пористых проницаемых материалов (ППМ), работоспособность и области применения которых определяются их поровой структурой.
Высокопористые проницаемые ячеистые материалы (ВПЯМ) с металлической или керамической матрицей, получаемые методами химической технологии или порошковой металлургии путем снятия позитивной реплики с открытоячеистого пенополиуретана (ППУ), относятся к сравнительно новому виду ППМ. Особенность ВПЯМ, заложенная в технологии дублирования структурообразующих моделей, состоит в независимости размера пор от пористости, что позволяет варьировать в отдельности их структурные и каркасные свойства. Несмотря на широкие потенциальные возможности, обусловленные структурной особенностью, области применения ВПЯМ в большинстве случаев оказываются традиционными для ППМ. Причина заключается в недостаточной изученности материалов с сетчато-ячеистой структурой и, как следствие, в недооценке возможности их использования в качестве материалов конструкционного назначения, а также в отсутствии недорогих и эффективных технологий получения композитов и изделий с функциональными элементами из ВПЯМ.
Трехмерная сетчато-ячеистая структура, регулируемые в широких іределах пористость и размер пор, развитая поверхность, приемлемый уро-?ень каркасных свойств позволяют рассматривать ВПЯМ как перспективный .гатериал для изготовления структурного слоя многослойных облегченных сонструкций, термонагружаемых в процессе эксплуатации, например, зеркал 4ощных лазеров,.. антенных рефлекторов и платформ для оптико-ілектронньїх приборов. Для снижения термодеформаций сплошные и порис-ые слои конструкций выполняются из однородного по химическому составу іатериала, а достижение заданной массы и жесткости изделий осуществля-тся за счет варьирования геометрических и структурных параметров слоев. Требование монолитности конструкции приводит к исключению введения 'ромежуточного материала между составляющими ее элементами. Послед-:ее очень важно для минимизации термического сопротивления в теплооб-іенньїх трубах, в которых ВПЯМ выполняет теплообменные функции.
Материалами, пригодными по совокупности теплофизических и меха-ических свойств для изготовления изделий металлооптики и размероста-ильных конструкций, являются, в числе немногих прочих материалов, медь, нвар, алюминий и карбид кремния. Соответственно сетчато-ячеистые труктуры, применяемые для достижения нового комплекса свойств этих из-елий, должны выполняться из идентичного матричного материала.
Настоящая работа направлена на обоснование возможности применения ВПЯМ и других новых видов высокопористых структур в качестве материалов конструкционного назначения, обеспечивающих улучшение весовых и жесткостных характеристик, размеро- и термостабильности и других эксплуатационных показателей термонагруженных изделий, снижение материалоемкости и сокращение времени изготовления изделий, а также на обоснование новых областей применения ВПЯМ.
Диссертационная работа выполнена в соответствии: с приказами Минвуза РСФСР № 1087с от 26.04.85 г, № 121с от 03.09.1987г; Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР № 138-48 от 27.01.86г; решениями Госкомиссии СМ СССР по ВГШ № 355с от , № 167с от 10.04.87 г, № 315с от и № ВП-10594 от ; Общесоюзной научно-технической программой ГКНТ СССР «Порошковая металлургия» на 1991-1995гг, утвержденной постановлением № 23 от 17.01.91 г; Научно-технической программой ГК НВШ РСФСР «Фундаментальные и прикладные проблемы механики деформируемых сред и конструкций», утвержденной приказом № 258 от 28.03.91 г; Межвузовской инновационной научно-технической программой «Исследования в области порошковой технологии» на 1992-1994 гг, утвержденной Приказом Миннауки РФ № 390 от 30.06.92г; инновационной научно-технической программой 5.7 «Исследования в области порошковой технологаи» на 1995-1997 гг, утвержденной Приказом Государственного комитета РФ по высшему образованию № 144 от 02.02.95г; Межвузовской научно-технической и инновационной программой «Перспективные материалы» на 1995-1997 гг., утвержденной Приказом Государственного комитета.РФ по высшему образованию № 468 от 20.03.96г; темами Единого заказ-наряда № 1.4.92, 1.15.92 на 1992-1994 гг, № 2.5.92 на 1995-1996 гг, № 2.3.97 на 1997-1999 гг, утвержденными Министерством образования РФ.
Цель работы - моделирование и экспериментальное исследование формирования структуры и свойств однородных и композиционных сетчато-ячеистых структур и разработка процессов рационального технологического конструирования изделий на их основе с широкими функциональными возможностями.
Задачи исследований;
- изучить закономерности поведения сетчато-ячеистых материалов
при различных видах нагружения и установить взаимосвязь их каркасных
свойств с параметрами микро- и макроструктуры;
- исследовать процессы контактообразования между сетчато-
ячеистыми материалами на стадии формирования их макро- и микрострук
туры и литыми или пористыми структурами с отличной морфологией поро-
вого пространства;
- сформулировать основополагающие принципы создания компо
зиционных сетчато-ячеистых структур с заданным составом и физико-
механическими, структурно-гидравлическими и фильтрационными свойст
вами в объемах композита;
проанализировать эффективность использования сетчато-ячеистых матриц в теплообмеиных устройствах и установить совокупность основных факторов, влияющих на интенсификацию процесса теплообмена;
разработать концептуальные основы создания многослойных конструкций на основе высокопористых структур с программируемым комплексом весогабаритных, термодеформационных и теплообмеиных характеристик с использованием ресурсо- и энергосберегающих технологий дублирования сложносоставных металлополимерных моделей;
экспериментально обосновать возможность применения концепции аублирования сложносоставных моделей на основе полимеров для изготовления трехслойных "сэндвичевых" зеркал из алюминиевого сплава и карбида кремния со структурой облегчения ячеистого типа.
На защиту выносятся:
1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований пове-хения сетчато-ячеистых структур при различных видах нагружения, обосно-!Ывающие зависимость механических свойств ВПЯМ от вида возникающих іапряжений и деформаций и состояния межчастичных контактов в тяжах, их сонфигурации и соотношения между геометрическими характеристиками.
2. Принципы построения высокопористых композиционных материа-
[ов с сетчато-ячеистой матрицей из металлов и сплавов с идентичным хими-
іеским составом в существенно разноплотных составляющих и заданным
ровнем физико-механических свойств в контактной области, основанные на
оздании соответствующих условий для одновременного формирования
іакро- и микроструктуры матрицы и соединения ее структурных элементов
невысокопористыми частями композита.
-
Ресурсо- и энергосберегающие технологии изготовления крупногабаритных облегченных зеркал, рефлекторов, платформ и іеплообменньїх етройств с функциональными элементами из сетчато-ячеистого металла ли сплава, базирующиеся на снятии позитивной реплики с комбинирован-ых структуро- и формообразующих металлополимерных моделей с помогло суспензионного, химического и электрохимического метода и их ком-янаций и термообработки.
-
Методы интенсификации поверхностной теплоотдачи и уменьшения эдравлического сопротивления в теплообмеиных устройствах на основе гтчато-ячеистых матриц, заключающиеся в формировании совершенного еталлического и теплового контакта между матрицей и непроницаемой генкой и выполнении перфораций различной масштабности в матрице.
5. Идея формирования интегральных и синтактных пористых структур
а основе ВПЯМ, заключающаяся в дополнительном механо-химико-
грмическом воздействии на сетчато-ячеистую полимерную или металличе-
<ую структуру с целью программируемого изменения в заданном направле
нні или объеме размера пор, гидравлических, фильтрационных и механиче-
сих свойств.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций под-іерждаетея результатами экспериментальных измерений на аттестованных
стандартных и оригинальных установках, воспроизводимостью и представительностью результатов испытаний, качественным и количественным соответствием этих результатов данным стендовых и натурных испытаний, включением результатов исследования в нормативную документацию - технические условия, технологические процессы - и положительными результатами внедрения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- установлены закономерности деформации и разрушения сетчато-
ячеистых структур, объясняющие зависимость прочностных, упругих и пла
стических свойств ВПЯМ от вида нагружения и параметров макроструктуры
действующими напряжениями и поведением межчастичных контактов в
воспринимающих нагрузку элементах каркаса;
- предложена структурная модель сетчато-ячеистого материала и методика расчета его каркасных свойсти в зависимости от характеристик макро-и микроструктуры;
изучены закономерности процессов контактообразования между литыми или пористыми элементами и сетчато-ячеистой матрицей на стадии формирования ее макро- и микроструктуры при осаждении металлического покрытия на полимерные решетки и термообработке;
установлены основные принципы регулирования комплекса свойств ВПЯМ за счет модифицирования однородного сетчато-ячеистого каркаса и обоснованы пространственно-временные параметры построения модифицирующих структур;
установлены закономерности влияния структурно-геометрических характеристик теплообменной сетчато-ячеистой матрицы из меди и степени совершенства контакта матрицы с непроницаемой стенкой на теплоотдачу и гидравлическое сопротивление в новом типе теплообменных устройств и получены обобщенные зависимости для их расчета;
разработана концепция создания многослойных облегченных конструкций с высокой размерной стабильностью, использующая принципы достижения химической и структурной однородности в элементах конструкции и придания заготовкам требуемой формы на стадии металлополимерной модели.
Личный вклад автора состоит: в организации и постановке экспериментальных и теоретических исследований; в непосредственном участии в их проведении; в анализе результатов исследований; в выдвижении и реализации основополагающих идей по созданию композитов и конструкций на основе ВПЯМ и других высокопористых структур с использованием метода дублирования сложносоставных моделей; в обобщении и обосновании всех защищаемых положений.
Практическое значение работы состоит в разработке:
- методик определения механических свойств ВПЯМ с пластичной и
хрупкой матрицей;
- технологических процессов изготовления композиционных ВПЯМ
на основе широкой гаммы материалов;
ресурсо- и энергосберегающих технологий создания крупногабаритных конструкций различного назначения с функциональными элементами из ВПЯМ и других высокопористых структур с высокими эксплуатационными характеристиками;
двухслойных фильтрующих перегородок на основе ВПЯМ, имеющих одновременно высокую проницаемость и малый размер пор.
Реализация работы.
На протяжении ряда лет изготовлялись:
заготовки крупногабаритных облегченных трехслойных зеркал с высокопористым заполнителем из меди, инвара, карбида кремния и алюминия для НПО «Астрофизика» (г.Москва), Института общей физики РАН (г.Москва), ІДНИИМВ (г.Калининград), ПНИТИ (г.Подольск);
размеростабильные легковесные рефлекторы, платформы на основе сетчато-ячеистого инвара для УФ ЦНШтМВ (г.Пермь) и НПО им.С .А.Лавочкина (г.Химки);
- легковесные панели с однородным и армированным сетчато-
гаеисшм заполнителем для КБ «Салют» (г.Москіза) и НПО «Молния»
г.Москва);
- охлаждаемые лазерные зеркала с теплообменником из армированно-
-о ВПЯМ для СНИТИ (г.Екатеринбург);
теплообменные трубы и компактные теплообменники с сетчато-(чеистой высокоразвитой поверхностью для Института катализа СО РАН г.Новосибирск) и 000 «Теплообмен» (г.Севастополь);
двухслойные фильтры с основой из ВПЯМ (в полупромышленном іасштабе) для установок очистки сжатого воздуха от капельно-аэрозольной шаги. Таких установок предприятиями «Маркет», «Акцепт», «Интот» г.Екатеринбург) и «Амарант» (г.Первоуральск) было выпущено несколько ысяч штук.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и обсужде-ы на конференциях: Уральской региональной «Применение порошковых, омпозиционных материалов и покрытий в машиностроении» в г.Перми 1979 г., 1981 г., 1982 г., 1987 г.); Всесоюзной «Современные вопросы ма-гматики и механики и приложения» в г.Москве (1983 г.); Второй научно-рактической «Применение методов и аппаратов порошковой технологии в ародном хозяйстве» в г.Томске (1983 г.); Научно-технической «Теория и рактика порошковой металлургии» в г.Челябинске (1984 г.); Всесоюзной Исследование и разработка теоретических проблем в области порошковой еталлургии и защитных покрытий» в г.Минске (1984 г.); Всесоюзной науч-э-технической «Порошковая металлургия» в г.Киеве (1985 г.); III Всесоюз-эй «Современные проблемы строительной механики и прочности летатель-ах аппаратов» в г.Казани (1988 г.); Межреспубликанской научно-:хнической «Совершенствование средств и методов расчета изделий маши-зстроения» в г.Волгограде (1988 г.); Всесоюзной «Механика и технология (делий из металлических и металлокерамических композиционных мате-
риалов» в гБолгограде (1989 г.); Научно-технической «Вибрация и диагностика машин и механизмов» в г.Челябинске (1990 г.); Московской международной по композитам (1990 г.); Научно-технической по межвузовским программам «Проблемы современных материалов и технологий, производство наукоемкой продукции» в г.Перми (1993 г.); Международной «Новые технологии получения слоистых и порошковых материалов, композиционных покрытий» в г.Сочи (1993 г.); Научно-технической «Научный потенциал вузов - программе «Конверсия» в г.Казани (1993 г.); Научно-технической «Внутрикамерные процессы в энергетических установках» в г.Казани (1993 г.); 1993 ICHMT International Symposium «New Developments in Heat Exchangers» в Г.Лиссабоне (1993 г.); Международной «Слоистые композиционные материалы - 98» в г.Волгограде (1998 г.); Международной «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии» в г.Киеве (1997 г.); XVI Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций в г.Миассе (1997 г.); I Международной научно-технической «Металлофизика и деформирование перспективных материалов» в г.Самаре (1999 г.); International Memorial K.I. Zamaraev Conference «Physical Methods for Catalytic Research at the Molecular Level» в г.Новосибирске (1999 г.); «International Congress on Catalysis» в г.Гранаде (2000 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 печатных трудов. Получено 32 авторских свидетельства СССР и патента РФ.
Автор диссертации - один из лауреатов премии Совета Министров СССР за разработку и внедрение в народное хозяйство проницаемых материалов с высокими эксплуатационными свойствами.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников из 275 наименований, приложения (документы о внедрении) и содержит 449 страниц, включая 338 страниц машинописного текста, 122 рисунка и 30 таблиц.