Разработка активных теплозащитных материалов для информационно-измерительных приборов и систем, испытывающих тепловые нагрузки в условиях аварийных ситуаций

Полный текст

Введение

Проблема создания эффективного теплозащитного покрытия (ТЗП) актуальна для широкого спектра применений. На сегодняшний день это необходимо как для космических аппаратов и бортовых самописцев, так и для контейнеров, сейфов и других конструкций, защищающих различные объекты от воздействия высокотемпературного нагрева [1–5]. Исходными данными для разработки ТЗП являются условия, при которых оно должно выполнять свою функцию. От этого зависит, на каких принципах будет осуществляться разработка ТЗП и какие теплофизические свойства ТЗП необходимы для выполнения им поставленной задачи [6–10].

В статье рассматривается экспериментальное исследование свойств теплозащитного покрытия на примере макета, моделирующего конструкцию защитного контейнера или сейфа, на внутренней стенке которого размещено ТЗП. В качестве теплозащитного покрытия были взяты образцы с различными составами.

Дифференциальный термический анализ

Для определения способности компонентов разлагаться с поглощением тепла был проведен дифференциальный термический анализ [11–13]. В качестве эндотермической добавки для составов теплозащитных покрытий был выбран гептагидрат сульфата магния MgSO₄·7H₂O.

Для опытов были отобраны навески исследуемых веществ в количестве 50 мг. Для определения эндотермического эффекта вещества в пробирки с исследуемыми веществами устанавливались термопары прибора. Далее производили нагрев пробирок до наблюдения отклонения температуры в веществе от температуры нагрева. Эксперимент останавливался, когда температура в веществе начинала соответствовать температуре нагрева (то есть эндотермическое разложение вещества было закончено). Данные экспериментов фиксировали на графиках с помощью программного обеспечения прибора ДТА. По оси ординат отложена разница температур в веществе и на нагреваемой поверхности. По оси абсцисс отложены значения фактической температуры, которая росла со скоростью 5 °С/мин.

График изменения температуры в объеме эндотермически активного компонента во время сбора данных показан на рис. 1. Процедура проводилась в соответствии с ГОСТ 33403-2015 [14].

 

Рис. 1. Дифференциальный термический анализ эндотермического компонента для ТЗП

 

Из рис. 1 видно, что при нагревании до 112,5 °C температура в объеме компонента начинает отклоняться; таким образом, начинается реакция разложения вещества с поглощением выделяемого тепла. Реакция заканчивается при температуре воздействия, соответствующей 130 °C. Данный процесс описывается химическим уравнением эндотермического разложения гептагидрата сульфата магния:

MgSO₄·7H₂O = MgSO₄ + 7H₂O – Q,

при этом гептагидрат сульфата магния разлагается с выделением воды и сульфата магния.

Максимальный эндотермический эффект (отклонение температуры в веществе от температуры нагрева) наблюдается при 120 °C (разница температуры в исследуемом веществе и температуры нагрева составила 6,8 °C).

Тепловой эффект химической реакции определили по тому же принципу, что и для разложения хлорида аммония. В табл. 1 представлены энтальпии образования веществ.

 

Таблица 1. Энтальпии образования веществ

Вещество	MgSO4·7H2O	MgSO4	H2O
Энтальпия образования ∆Н0, кДж/моль

 

Тепловой эффект химической реакции разложения 1 моля хлорида аммония составляет $\Delta H_{\text{реакции}}^0=\left(-\mathrm{1288,8}+7\left(-\mathrm{285,33}\right)\right)-3384=\mathrm{97,89}$ кДж (для разложения 1 моля гептагидрата сульфата магния необходимо затратить 97,89 кДж тепла).

Например, кремниевые транзисторы начнут разрушаться при температуре (120…150) °C. Соответственно, пока в объеме теплозащитного материала будет происходить описанная эндотермическая реакция, прибор будет продолжать свое функционирование.

Экспериментальная оценка эффективности эндотермической добавки

Компонент, с которым проводился ДTA, использовался в качестве эндотермического наполнителя для изготовления образцов ТЗП. В процессе исследования были протестированы три образца ТЗП, рецептуры которых представлены в табл. 2.

Полученные образцы были использованы в макете (рис. 2).

 

Рис. 2. Схема компоновки, моделирующая конструкцию сейфа либо защитного контейнера: a – теплоизоляционный материал; b – защищаемый объект; c – образец теплозащитного покрытия; d – имитация внутренней металлической оболочки сейфа; e – имитация внешней металлической оболочки сейфа

 

Рис. 3. Элементы макета: а – защищаемый объект; б – образец теплозащитного покрытия; в – имитация внутренней металлической оболочки; г – имитация наружной металлической оболочки

 

Рис. 4. Процесс сборки макета

 

Элемент а или теплоизоляционный материал необходим для предотвращения потери тепла во время эксперимента. Для определения теплофизических свойств выбранных образцов ТЗП на макете термопары типа K были установлены на нагретой поверхности элемента e, между элементами d и e, c и d, а также между элементами b и c [15–17]. Внешний вид элементов макета и процесс сборки представлены на рис. 3 и 4.

 

Таблица 2. Рецептуры испытуемых образцов

Рецептура № 1	Связующее (35 %) + инертный наполнитель (65 %)
Рецептура № 2	Связующее (35 %) + полые микросферы (65 %) Воздушные включения составляют 50 % объема образца
Рецептура № 3	Связующее (35 %) + эндотермический наполнитель (65 %)
Рецептура № 4	Связующее (30 %) + эндотермический наполнитель (70 %)

 

После сборки макет устанавливается на испытательный стенд (рис. 5).

 

Рис. 5. Схема проведения эксперимента на испытательном стенде: 1 – макет; 2 – газовая горелка; 3 – газовый баллон; 4 – штатив; 5 – термопара; 6 – термопара; 7 – аналого-цифровой преобразователь; 8 – компьютер

 

Были проведены эксперименты с целью определить, сколько времени требуется для того, чтобы температура в зоне между защищаемым объектом b и образцом теплозащитного материала c достигла температуры 180 °С при воздействии на внешнюю оболочку «e» пламени горелки. При этом температура на нагретой поверхности поддерживалась в диапазоне (800…1000) °С. Таким образом, в постановке эксперимента рассматривается одна из многочисленных задач, связанных с разработкой теплозащитных материалов.

В результате экспериментов были получены диаграммы изменения температур в макете, изображенные на рис. 6–9.

 

Рис. 6. График изменения температур в макете с образцом № 1: 1 – температура в зоне нагрева; 2 – температура между внешней и внутренней оболочками; 3 – температура между внутренней оболочкой и образцом ТЗП; 4 – температура между образцом ТЗП и защищаемым объектом

 

Рис. 7. График изменения температур в макете с образцом № 2: 1 – температура в зоне нагрева; 2 – температура между внешней и внутренней оболочками; 3 – температура между внутренней оболочкой и образцом ТЗП; 4 – температура между образцом ТЗП и защищаемым объектом

 

Рис. 8. График изменения температур в макете с образцом № 3: 1 – температура в зоне нагрева; 2 – температура между внешней и внутренней оболочками; 3 – температура между внутренней оболочкой и образцом ТЗП; 4 – температура между образцом ТЗП и защищаемым объектом

 

Рис. 9. График изменения температур в макете с образцом № 4: 1 – температура в зоне нагрева; 2 – температура между внешней и внутренней оболочками; 3 – температура между внутренней оболочкой и образцом ТЗП; 4 – температура между образцом ТЗП и защищаемым объектом

 

Так как наибольший интерес вызывает процесс изменения температуры в зоне между образцом ТЗП и защищаемым объектом, графики изменения температуры в указанной зоне сведены в общую диаграмму, на которой наблюдается различие в динамике роста температуры. Диаграмма представлена на рис. 10.

 

Рис. 10. Диаграмма изменения температуры за образцами ТЗП во время нагрева макета: 1 – график изменения температуры за образцом № 1; 2 – график изменения температуры за образцом № 2; 3 – график изменения температуры за образцом № 3; 4 – график изменения температуры за образцом № 4

 

Из графиков, показанных на рис. 10, видно, что образец № 1, который не содержит эндотермического компонента, показал самое короткое время экспозиции. Не дало особого прироста по времени прогрева и внедрение в образец № 2 высокопористого наполнителя. Следует отметить, что во время экспериментов с образцами № 1 и № 2 температура на границе ТЗП – защищаемый объект росла линейно. Самое длительное время нагрева до температуры 180 °C между защищаемым объектом и образцом TЗП наблюдается в эксперименте с образцом № 4, поскольку рецептура содержит наибольшее количество эндотермического наполнителя.

Выводы

Проведенные исследования доказывают, что наличие эндотермического наполнителя в составе рецептуры ТЗП позволяет значительно увеличить теплоемкость изолирующего слоя, поскольку повышаются его теплопоглощающие характеристики. Экспериментально подтверждено, что наличие эндотермического наполнителя в составе ТЗП позволяет повысить его эффективность на 100 %. Кроме того, увеличение содержания эндотермического наполнителя в составе ТЗП также способствует увеличению его эффективности. Разработанный теплозащитный материал рекомендуется для применения в составе бортовых самописцев, в шкафах управления электрооборудованием, сейфах, защитных контейнерах и др.

Об авторах

Николай Сергеевич Альдебенев

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: nikaldy@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9987-7440

инженер НИС кафедры «Технология твердых химических веществ», аспирант

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Иван Романович Тонеев

Самарский государственный технический университет

Email: nikaldy@yandex.ru

младший научный сотрудник НИС кафедры «Технология твердых химических веществ», преподаватель кафедры «Химическая технология полимерных и композиционных материалов»

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Елена Сергеевна Журавлева

Самарский государственный технический университет

Email: nikaldy@yandex.ru

младший научный сотрудник НИС кафедры «Технология твердых химических веществ», аспирант

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Дмитрий Анатольевич Деморецкий

Самарский государственный технический университет

Email: nikaldy@yandex.ru

заведующий кафедрой «Технология твердых химических веществ», доктор технических наук, профессор

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы