Термостойкие композиционные материалы и их применение в многоразовых объектах ракетно-космической техники

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

С.В. Резник, К.В. Михайловский,
С.О. Юрченко

ТЕРМОСТОЙКИЕ
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В МНОГОРАЗОВЫХ ОБЪЕКТАХ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ
ТЕХНИКИ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по
университетскому политехническому образованию в
качестве учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению подготовки
дипломированных специалистов «Ракетостроение
и космонавтика»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2011

УДК 629.765:620.22(075.8)
ББК 30.36:39.62
P34

P34

Рецензенты: Е.А. Богачев, М.А. Комков

Резник С.В.
Термостойкие композиционные материалы и их применение
в многоразовых объектах ракетно-космической техники : учеб.
пособие / С.В. Резник, К.В. Михайловский, С.О. Юрченко ; под
ред. С.В. Резника. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. –
55, [5] с. : ил.

В учебном пособии изложены современные представления об ответственных конструкциях авиа- и ракетно-космического назначения,
выполненных из термостойких композиционных материалов (КМ).
Описаны условия эксплуатации и приведены свойства отечественных и зарубежных материалов, используемых в термостойких КМ.
Отдельно рассмотрены технологии производства, особенности при
многократных испытаниях и возможности улучшения свойств термостойких КМ путем нанодоппирования.
Для студентов старших курсов, а также инженеров и специалистов,
занимающих проектированием конструкций из термостойких КМ.

УДК 629.765:620.22(075.8)
ББК 30.36:39.62

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

В ракетно-космической, авиационной, атомной технике и энергетике увеличивается потребность в конструкциях, которые могут
работать в условиях многократного теплового и механического нагружения в химически активных и агрессивных средах. В такого
рода конструкциях перспективно применение термостойких композиционных материалов (КМ), сформированных из углеродных
волокон и керамической матрицы. Технология производства таких
материалов пока недостаточно совершенна и должна разрабатываться с опорой на современные средства математического и физического моделирования.
Настоящее учебное пособие посвящено обзору современных технологий производства термостойких КМ, особенностям
структуры их исходных компонентов и наноразмерных наполнителей-модификаторов, анализу поведения при многократном
нагружении. Учебное пособие завершается описанием развития
представлений об аморфных структурах в твердом теле и многомасштабной теории.
Разработка математических моделей теории многомасштабной
эволюции дефектных структур, обоснование и реализация технологических приемов изготовления наномодифицированных КМ
немыслимы без достаточного исследовательского кругозора будущих специалистов. Поэтому в пособие включены табличные данные, необходимые при проведении оценочных расчетов; приведены ссылки на многочисленные публикации, полезные для самостоятельной проработки и выступлений на семинарах.
Настоящее пособие направлено на развитие самостоятельных
навыков проведения расчетных и теоретических исследований на
современном уровне и будет иметь продолжение.

ВВЕДЕНИЕ

Композиционные материалы обладают широкими перспективами применения в авиационной, ракетной, космической технике, в
наземных и водных транспортных системах, в энергетике и металлургии благодаря ценному сочетанию механических, теплофизических, радиотехнических и других свойств, умеренной стоимости и
технологичности. В настоящее время в аэрокосмической технике
востребованы КМ, которые могут работать в широком диапазоне
рабочих температур и давлений без изменения формы и размеров,
а также без потери теплозащитных свойств. Производство КМ актуально в связи с разработкой нового поколения пилотируемых и
беспилотных многоразовых космических аппаратов (МКА), совершающих полеты в атмосфере на высоких скоростях.
Магистральное решение вопросов тепловой защиты МКА состоит в использовании так называемых горячих конструкций, которые сочетают в себе силовые и теплозащитные функции благодаря
интеграции термостойких углерод-керамических КМ (УККМ) и
легких керамических теплоизоляторов. По этой схеме из УККМ
были изготовлены опытные конструкции носовых обтекателей,
передних кромок крыльев, панелей корпуса и управляющих поверхностей МКА Hermes (ESA), Х-38 (CША) и Hopper (EADS
Company).
В новых конструкциях ракетных двигателей многократного запуска с повышенной длительностью работы (до десятков минут)
также предполагается применять крупногабаритные сопла и выдвижные насадки из УККМ.
Керамическая матрица в УККМ обладает высокой термостойкостью, а углеродный каркас обеспечивает необходимую проч
4

ность и жесткость. Основные преимущества УККМ — высокая
окислительная и термическая стойкость, прочность, сравнительно
малая плотность, высокие значения модулей упругости и малые
значения коэффициента линейного термического расширения.
Производство конструкций из УККМ было освоено в США
(Du Pont, AVCO, Gudrich), во Франции (SEP), Великобритании
(Dunlop), Германии (MAN Technology).
Из УККМ изготовлены носовой кок и передние кромки крыльев МКА Space Shuttle (США). В России конструкции из УККМ
ГРАВИМОЛ были применены для тех же целей на корабле «Буран».
Надо заметить, что летная эксплуатация аппаратов типа Space
Shuttle выявила серьезные проблемы, касающиеся стойкости
УККМ к механическим повреждениям в условиях интенсивного аэродинамического нагрева при входе в атмосферу. Особенно отчетливо эти проблемы проявились при катастрофе МКА
Columbia (США) в феврале 2003 г., произошедшей в результате
разрушения кромки крыла. Анализ причин катастрофы обусловил
четырехлетние исследования КМ и конструкций, направленные на
повышение их термостабильности и несущей способности.
Необходимые качества конструкции с применением УККМ
формируются в процессе ее производства, поэтому актуальна постановка исследований влияния технологических факторов (режимы термообработки, сырье, рабочие среды и др.) на структурные
характеристики и физические свойства материалов в широком диапазоне эксплуатационных параметров. Для управления качеством
изделий из УККМ необходимо анализировать причины образования различного рода дефектов и пути их эволюции не только
на стадиях производства УККМ, но и в процессе эксплуатации
изделий.
Дефекты являются неотъемлемой частью любого материала и
соответственно любой конструкции. Наличие дефектов в УККМ
не всегда служит препятствием к их безотказной эксплуатации.
Степень опасности дефектов должна устанавливаться в результате
комплексных теоретических и экспериментальных исследований.
Повышению стойкости УККМ к действию многократного нагружения может способствовать введение в материалы нанодобавок (нанодоппирование). Элементарные исходные структуры для

5

нанодоппирования — молекулы и молекулярные системы, а не микронные объекты, применяемые в традиционной технологии производства УККМ. В отличие от традиционного подхода новый
подход позволяет создавать практически «бездефектные» добавки
с принципиально новыми теплофизическими характеристиками.
Особое значение при производстве конструкций из УККМ имеет упорядоченность границ раздела фаз («волокно — матрица»).
В качестве основных нанодобавок в УККМ можно использовать
аллотропные соединения углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки (УНТ) и нановолокна.
Эксперименты показывают, что УНТ являются материалами с
рекордно высокими значениями модуля Юнга (примерно 103 ГПа),
что обусловлено совершенством структуры УНТ и сильной химической связью между атомами углерода. Высокие прочностные
свойства УНТ представляют значительный интерес с точки зрения
их применения при производстве конструкций из УККМ, обладающих высокими механическими характеристиками.
В настоящее время особое внимание необходимо уделять повышению прочности и термостойкости КМ, увеличению их теплопроводности на основе введения нанодобавок и управления
дефектами структуры. В рамках основных направлений расчетнотеоретических и экспериментальных исследований можно выделить следующие перспективные задачи:
• разработка математических моделей теории многомасштабной эволюции дефектных структур;
• обоснование и реализация технологических приемов изготовления наномодифицированных КМ;
• исследование структурных характеристик, механических и
теплофизических свойств термостойких КМ.

1. КОНСТРУКЦИИ ИЗ ТЕРМОСТОЙКИХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ МНОГОРАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Исследования УККМ актуальны в связи с растущим спросом
на эти материалы и перспективами использования их в качестве
основных материалов конструкций как в ракетно-космической технике, так и в различных машиностроительных отраслях, а также в
авиационной, химической и энергетической промышленности. Из
УККМ, например, изготовляют: рефлекторы телескопов [1]; носовые обтекатели (рис. 1), кромки крыльев (рис. 2), тормозные щитки МКА; камеры сгорания и раструбы твердотопливных ракетных
двигателей (рис. 3); тормозные диски; высокотемпературные подшипники; тигли и т. д. (рис. 4, 5).
Перечисленные элементы конструкций ракетно-космической
техники эксплуатируются в агрессивных средах, часто в потоках

Рис. 1. Внешний вид носового
обтекателя МКА [2]

Рис. 2.
Внешний
вид
кромки
крыла МКА

7

Рис. 3. Внешний вид раструбов твердотопливного ракетного
двигателя [3]

Рис. 4. Элементы конструкций МКА:
1, 5 — плиточная защита типа «шингл»; 2 — плиточная теплозащита; 3 — носовой
обтекатель и передник кромки крыльев; 4 — элементы элевонов; 6 — тормозные
щитки; 7 — кромки крыльев [2]

окислительной плазмы, и подвергаются воздействию циклических
нагрузок: нагреву до температуры примерно 2000 K, действию

8

Рис. 5. Элементы прямоточного турбореактивного двигателя:
1 — носовой элемент; 2 — элемент камеры сгорания; 3 — лопатка; 4 — элемент
форсуночного отсева; 5 — элемент подвижного сопла [2]

скоростного напора, вибрационно-акустических и значительных
механических нагрузок.

2. ИСХОДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ТЕРМОСТОЙКИХ УГЛЕРОД-КЕРАМИЧЕСКИХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ,
ОСОБЕННОСТИ ИХ СТРУКТУРЫ

Основой для производства термостойких УККМ являются
углеродные волокна (УВ), которые выполняют функцию армирования. Структуры и свойства УВ существенно зависят как от
исходных компонентов, так и от технологического процесса их
производства (табл. 1 [4, 5]). В настоящее время существует широкий выбор УВ (табл. 2 [4, 5]), хотя качество многих их видов
невысокое. Микрокристаллиты в УВ по структуре близки к графиту и включают плоские, гексагонально-уложенные слои атомов
углерода (рис. 6 [5]).

9

Таблица 1
Характеристики УВ, полученных на основе различных исходных
компонентов

Марка
Плотность,
ρ · 103, кг/м3
Модуль
Юнга E, ГПа

Прочность при
растяжении
σ+
1 , МПа

Деформация
при разрыве,
ε, %

Вискозные волокна

Standart
1,60
40
500
1,25

HM
1,82
517
—
—

ПАН-волокна

HS
1,80
230
4500
2,00

IM
1,76
290
3100
1,10

HM
1,86
380
2700
0,70

Пековые волокна

P-25W
1,90
160
1400
0,90

P-75S
2,00
520
2100
0,40

P-120S
2,18
827
2200
0,30

Рис. 6. Структура графита

10