The use of composite materials with protective coatings in air conditioning units

Abstract

The article contains an analysis of the use of advanced composite materials in air transport sys- tems and recommendations for the use of these materials in the construction.

Full Text

Применение композиционных материалов с защитными покрытиями в агрегатах систем кондиционирования воздуха д.т.н. проф. Меркулов В.И., Нагайцев Р.Ю. Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) Аннотация. В статье содержится анализ использования современных компо- зитных материалов в системах воздухообмена на транспорте и даны рекоменда- ции по использованию данных материалов в конструкциях. Ключевые слова: композиционные материалы, снижение веса, пластинча- тые теплообменники, защитные покрытия Композиционные материалы на основе пластиков, армированные борными и угольны- ми волокнами, нашли применение в авиации. Они используются для изготовления лопастей винтов вертолетов, лонжеронов, хвостового оперения, лопастей компрессоров и т.д. Следует отметить, что намечается тенденция к использованию углепластиков не только в тех обла- стях, где стоимость имеет второстепенное значение, но и при производстве товаров широко- го потребления (рыболовные удилища, теннисные ракетки). Нужно отметить, что угольные волокна дешевле и легче борных; по модулю упругости борные и угольные волокна почти не отличаются, хотя последние имеют несколько мень- шую прочность. Но самое большое преимущество угольных волокон состоит в их техноло- гичности. Основным фактором, несколько сдерживающим применение волокон бора, кроме высокой стоимости, является большой диаметр волокна (0,1 мм), что ограничивает его при- менение только на поверхностях с небольшой кривизной. Угольные волокна лишены этого недостатка. Их получают из вискозных или полиакрилнитриловых волокон пиролизом при 1600-3000°С, в процессе которого даётся небольшая вытяжка. В замвисимости от температу- ры и степени вытяжки получают высокопрочные или высокомодульные волокна графита. Угольное волокно изготавливают рубленным, в виде штапеля, предварительно пропитанного полотна . Наиболее перспективным материалом в настоящее время является карбид кремния (SiC) и композиционные материалы на его основе, позволяющие получать заданное сочета- ние свойств: высокие удельные прочность и жесткость, жаропрочность, износостойкость, высокие теплопроводность и теплозащитные свойства, радиационная прочность и др. Спектр свойств карбида кремния: теплопроводность 180-200 Вт/(м·К) (как у алюминия), у монокри- сталлов - до 470 Вт/(м·К); рабочая температура - более 1350°С (как у жаропрочных сталей); температура плавления/разложения составляет 2830°С; стойкость в окислительной и восста- новительной среде выше, чем у титана; по химической инертности приближается к золоту и платине; высокая стойкость к абразивному износу (чуть ниже, чем у алмаза). В последнее десятилетие проводятся интенсивные исследования по разработке компо- зиционных материалов (КМ) на основе неоксидных соединений - углерода, карбида и нит- рида кремния и др., в которых указанные соединения могут являться как матрицей, так и ар- мирующим наполнителем в виде непрерывных или дискретных волокон, усов, вискерсов, пластин (композиты состава C/C, C/SiC, SiC/SiC). Такие материалы отличаются высокими прочностными характеристиками, жаропрочностью, малой плотностью, что позволяет ис- пользовать их в авиации и космической технике в качестве высокотемпературных конструк- ционных материалов, для изготовления элементов газовых турбин, дизельных двигателей, теплообменников, в триботехнике. Композиционные материалы вида С/SiC и SiC/SiC отличает низкая удельная масса, из- носостойкость, возможность формирования из них изделий сложной формы, в восстанови- тельных условиях эксплуатации эти композиты сохраняют высокие механические свойства вплоть до температуры 2000°С, однако в окислительных условиях их использование ограни- чивается склонностью С и SiC к окислению уже при 400 и 1200°С соответственно. Их дегра- дация усиливается при воздействии паров воды и солей щелочных металлов. Известия МГТУ «МАМИ» № 4(26), 2015, т. 1 61 Транспортные средства и энергетические установки Одним из возможных способов решения проблем окисления материалов на основе кар- бида кремния является разработка функциональных защитных покрытий. В зависимости от состава композиционных материалов, условий их эксплуатации и, соответственно, предъяв- ляемых требований, покрытия могут выполнять различные функции: улучшать механические свойства подложки при воздействии градиента температур; ограничивать химические процессы окисления и коррозии композитов; регулировать процесс переноса тепла при высоких температурах эксплуатации изделий путем изменения теплопроводности материала. Составы функциональных покрытий должны соответствовать определенным требова- ниям, основными из которых являются: высокая температура плавления, стойкость к окисли- тельной атмосфере и водяным парам, низкая теплопроводность и, самое главное, - значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), близкие к ТКЛР карбида кремния. В работах российских ученых (С.С. Солнцев, В.Г. Севастьянов, Е.С. Лукин и др.) и зарубежных исследователей (Kang N. Lee, J.D. Webster, М. Ferraris и др.) показано, что для поверхностной и объемной защиты композитов C/SiC, SiC/SiC в наибольшей степени эффек- тивно применение покрытий на основе силикатов и алюмосиликатов: муллита, кордиерита, цельзиана, стронциевого анортита, силикатов редкоземельных элементов, а также на основе более высокотемпературных соединений: титанатов, цирконатов и гафнатов алюминия, скандия и редкоземельных элементов. Муллит 3Al2O3·2SiO2 представляет наибольший интерес как защитное покрытие для карбида (нитрида) кремния из-за низких значений ТКЛР и высокой химической стойкости. Начиная с 80-х годов именно покрытия на основе муллита и/или бинарных систем Al2O3 и тугоплавких оксидов ZrO2, Y2O3 и др. использовали для термозащиты композиционных ма- териалов , такие покрытия позволяли существенно повысить трещиностойкость изделий. Задачей применения композиционных материалов в конструкциях и узлах систем кон- диционирования воздуха , в данное время, занимается ОАО «НПО НАУКА». Основными направлениями для исследования являются : замещение материалов конструкций корпусных деталей. возможность использования композиционных материалов в матрице пластинчатого теп- лообменника. использование современных систем проектирования деталей из композита. В целях научно-исследовательской работы по исследованию возможности применения композиционных материалов, на предприятии ОАО «НПО» Наука впервые в качестве опыт- ного образца был изготовлен клапан выпускной электроприводной. Клапан с проходным сечением Дн=200 мм, предназначен для дросселирования потока воздуха на сбросе из гермокабины с регулированием по электрическим управляющим сигна- лам в двух режимах автоматического управления и в режиме дистанционного управления в составе цифровой системы автоматического регулирования давления (САРД). Клапан вы- пускной применяется на самолетах Ту-204СМ и Ан-70. Корпус и заслонка экспериментального образца выпускного клапана изготовлены из композиционных материалов (полиамид 6.6) методом лазерного спекания. Применение по- лимерных композиционных материалов позволило снизить массу корпуса и заслонки в два раза, массу клапана в 1,3 раза (см. табл. 1). Таблица 1 Далее были исследованы свойства клапана к механическим воздействиям и проведены испытания клапана в составе системы автоматического регулирования давления. Клапан с 62 Известия МГТУ «МАМИ» № 4(26), 2015, т. 1 Транспортные средства и энергетические установки положительными результатами выдержал испытания на работоспособность, ударную проч- ность, на прочность и устойчивость к воздействию широкополосной случайной вибрации, акустические и стендовые испытания в составе системы автоматического регулирования давления. Ещё одной научно-исследовательской работой является проработка возможности ис- пользования композитных материалов в пластинчатых теплообменниках. Матрица теплооб- менника, состоящая из плоских и гофрированных листов, изготавливается из композитных материалов на основе углеродной ткани с пропиткой связующим на основе поликарбосила- нов или силоксанов. Затем листы соединяются высоко температурным клеем и осуществля- ется отверждение клея под давлением. После этого проводится термообработка пакета. По- сле этого проводится уплотнение пакета керамическим компонентом. Для расчёта и моделирования деталей из композита предполагается использование со- временного программного обеспечения от компании ESI. С учётом анализа физико-химических свойств композиционных материалов рассмотре- на номенклатура деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на авиационном транспорте, которые могут быть изготовлены из композитов. Перевод ряда деталей и узлов системы кондиционирования воздуха на транспорте поз- воляет существенно улучшить эксплуатационные свойства конструкций таких как снижение массы, улучшение вибрационных и шумовых параметров, увеличение ресурса.