Исследование теплоемкости, теплопроводности гетерофазных композиционных теплозащитных материалов с непрерывной полимерной фазой

Для защиты металлических корпусов изделий от аэродинамического нагрева применяются теплозащитные покрытия (ТЗП) комбинированного действия: поглощающие тепло, излучающие тепло и обеспечивающие снижение температуры набегающего аэродинамического потока за счет вдува в него газообразных продуктов термической деструкции материала покрытия. Одним из высокоэффективных видов такого покрытия является композит ТЗМКТ-8, представляющий собой реактопласт на основе эпоксидного связующего ЭДТ-10 (смола КДА, отвердитель триэтано-ламинтитанат (ТЭАТ)) и упрочняющего наполнителя из кремнеземной ткани объемного переплетения [1]. В связи с уменьшением финансирования бюджета НИОКР было решено снизить затраты на производство путем перехода с изготовления ТЗП методом пропитки под давлением на более экономичную технологию вакуумного формования.

Полученный методом вакуумного формования материал ТЗМКТ-8В-ТЭАТ состоит из тех же компонентов, что и композит ТЗМКТ-8, но отличается от него контрольными характеристиками, такими как плотность, пористость, содержание связующего. Известно, что свойства наполненных полимеров определяются свойствами полимерной матрицы и наполнителя, их соотношением, характером распределения наполнителя в матрице, природой взаимодействия на границе раздела полимер-наполнитель [2].

С целью увеличения сроков хранения сборочных единиц с ТЗП была разработана новая система теплозащиты с применением композиционного материала ТЗМКТ-8В-МФД, состоящего из стеклоткани и полимерной матрицы на основе смолы КДА и ароматического аминного отвердителя метафенилендиамина (МФД).

Изучение и сравнение термических свойств наполненных полимеров ТЗМКТ-8В-ТЭАТ, ТЗМКТ-8В-МФД, полученных вакуумным формованием, с ранее использующимся реактопластом ТЗМКТ-8, изготовленным методом пропитки под давлением, позволили определить диапазон использования этих теплозащитных композиционных материалов.

Измерение тепловой активности материалов при температуре 20 °С проводили на образцах материалов ТЗМКТ-8В-ТЭАТ, ТЗМКТ-8В-МФД размерами (60 × 60 × 5,1) ± 0,4 мм. Измерения проводились на приборе ИТА-4. Образцы изготовлены из плит материалов ТЗМКТ-8В-МФД, ТЗМКТ-8В-ТЭАТ размерами (500 × 350 × 5,1) ± 0,4 мм методом вакуумного формования.

Тепловая активность – характеристика материала, зависящая от его плотности, удельной те- плоемкости и теплопроводности.

893,3 Вт ⋅ с^0,5

851,3 ÷ 936,8 м²К ^,

Тепловая активность материала ТЗМКТ-8В-МФД составила А сред

0,5

материала ТЗМКТ-8В-ТЭАТ – А сред = 1114 ^{Вт с} м 2 К

Теплопроводность материала ТЗМКТ-8В-ТЭАТ, рассчитанная по формуле (1), составила

λ = 0,64 [3]. м ⋅ К

² λ= ^A , c ⋅γ

где с – теплоемкость, 0,84 кДж/кг·К; А – тепловая активность, 1114

Вт ⋅ с^0,5 м 2 К

; γ – удельная плот-

ность, 1,6 г/см3.

Определим тепловую активность материала ТЗМКТ-8, зная, что с = 0,84 кДж/кг·К; γ = 1,65 г/см 3 ;

λ = 0,407

Вт м ⋅ К

А = λ⋅γ⋅ с = 751,06

Вт ⋅ с^0,5 м 2 К

Из результатов определения тепловой активности следует, что разработанный композиционный материал ТЗМКТ-8В-МФД с полимерной матрицей в нестехиометрическом соотношении компонентов удовлетворяет данному критерию, так как находится в диапазоне между величинами тепловой активности материалов ТЗМКТ-8В-ТЭАТ и ТЗМКТ-8, подтвердивших свою работоспособность в натурных испытаниях изделий.

Для экспериментального определения теплопроводности (λ) материала ТЗМКТ-8В-МФД был выбран прямой стационарный метод измерения на образцах цилиндрической симметрии. Установка для измерения теплофизических характеристик материалов представляет собой цилиндрическую печь, в которой температура испытаний регулируется фоновым нагревателем. Блок-схема установки приведена на рис. 1.

При известной удельной мощности центрального нагревателя, приходящейся на единицу его длины, и разности температур между термопарами, установленными вдоль радиуса центрального диска, можно рассчитать теплопроводность образцов по следующему соотношению (2):

λ=      ^ql     ⋅ ln ^{R 2} ,

2 π ( t 2 - t 1 ) R 1

где λ – теплопроводность образцов, т ; q = ( I · U )/ l – удельный линейный поток тепла, т м ⋅ К                                              м

( I – ток, проходящий через центральный нагреватель, A; U – напряжение на центральном нагревателе, В; l – длина нагревателя, м); R 1 , R 2 – расстояния от центра образца до первой и второй термопар соответственно, м; t 1 , t 2 – температуры, измеренные в точках расположения термопар, °С.

Для измерения температуры использовались хромель-алюмелевые термопары. Измерение мощности центрального нагревателя – ток и напряжение проводились универсальными цифровыми вольтметрами. Расстояния от центра образца до места расположения термопар измерялись на микроскопе-микрометре с погрешностью 0,005 мм.

Полученные экспериментальные значения теплопроводности композиционных образцов ТЗМКТ-8В-МФД в зависимости от температуры нагрева приведены на графике (рис. 2). На графике для сравнения также приводятся результаты определения теплопроводности материала ТЗМКТ-8.

Контроль и испытания

Анализ сравнения теплопроводности наполненных реактопластов указывает на более эффективную теплозащитную функцию полимерного материала ТЗМКТ-8В-МФД при температурах свыше 200 °С. При температуре 270 °С теплопроводность материала ТЗМКТ-8В-МФД на 29 % ниже материала ТЗМКТ-8, что означает меньший перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым. В итоге при использовании ТЗП ТЗМКТ-8В-МФД ожидается меньший нагрев защищаемых корпусов при одинаковых тепловых потоках. На основе экспериментальных измерений теплопроводности стеклопластика ТЗМКТ-8В-МФД получена математическая функция зависимости теплопроводности от температуры y = –5 E – 06 x 2 + 0,001 x + 0,5093, величина аппроксимации R ² = 0,45. Математическая функция теплопроводности композита ТЗМКТ-8 y = 0,3869 e ^{0,0015 x} , R ² = 0,9669.

Рис. 1. Блок схема установки для измерения теплофизических характеристик материалов: 1 – фоновый нагреватель; 2 – градиентный, центральный нагреватель; 3, 4 – термопары; 5 – стабилизированный источник питания радиального нагревателя; 6 – стабилизированный источник питания фонового нагревателя; 7 – сосуд Дьюара; 8 – цифровой вольтметр, измеряющий термоэдс; 9 – коммутатор; 10 – цифровой вольтметр для измерения тока и напряжения на центральном нагревателе; 11 – образцы; 12 – асбестовые прокладки

Выгорание связующих компонентов – начало деструкции образцов ТЗМКТ-8В-МФД – наблюдалось при температуре выше 200 °С. На рис. 3 изображены образцы ТЗМКТ-8В-МФД после испытаний при температуре 317 °С. Термодеструкция связующей матрицы на поверхности композита сопровождалась большим количеством летучих продуктов.

Расчет теплоемкости материала ТЗМКТ-8В-МФД при температуре 20 °С осуществлялся по

Вт                             Вт ⋅ с^0,5

.

формуле (1), где с = 1,03 кДж/кг·К; λ = 0,52      ; γ = 1,48 г/см 3 ; А = 893,3

м ⋅ К                         м²К

В таблице приведены результаты определения теплофизических характеристик исследуемых материалов при температуре 20 °С.

Анализ данных, приведенных в таблице, позволяет выявить ключевые преимущества разработанного теплозащитного материала ТЗМКТ-8В-МФД над его аналогами, заключающиеся:

• –    в снижении массы ТЗП за счет уменьшения удельной плотности материала на 10 % относительно композита ТЗМКТ-8, без потери основных теплозащитных параметров;

• –    в увеличении теплоемкости, которая на 22 % превосходит теплоемкость материала ТЗМКТ-8 при температуре 20 °С;

• –    в том, что с началом термодеструкции при температурах выше 200 °С материал ТЗМКТ-8В-МФД проявляет увеличение теплозащитных свойств за счет уменьшения теплопроводности на 29 % относительно материала ТЗМКТ-8.

Композиционный материал ТЗМКТ-8В-МФД, полученный методом вакуумного формования, превосходит по всем исследованным в работе величинам материал ТЗМКТ-8В-ТЭАТ, изготовленный по этой же технологии.

Рис. 2. Сравнение теплопроводности материалов ТЗМКТ-8В-МФД, ТЗМКТ-8

Рис. 3. Структура поверхности образцов материала ТЗМКТ-8В-МФД после определения теплопроводности при температуре 317 °С

Теплофизические характеристики материалов при температуре 20 °С

Наименование материала	Вт ⋅ с0,5 А, м2К	Вт λ , м ⋅ К	с , кДж/кг·К	γ , г/см 3	В, %	Содержание связующего, %
ТЗМКТ-8В-МФД	893,3	0,52	1,03	1,48	5,5	41,8
ТЗМКТ-8В-ТЭАТ	1114	0,64	0,84	1,6	3	42
ТЗМКТ-8	751,06	0,407	0,84	1,65	3,1	36,5

Использование композита ТЗМКТ-8В-МФД в качестве теплозащитного покрытия является более предпочтительным по сравнению с материалом ТЗМКТ-8, изготовленным методом пропитки под давлением, вследствие более эффективной функциональной работоспособности при температурах свыше 200 °С.

Результаты анализа теплофизических параметров позволяют заключить, что композиция из стеклоткани МКТ-5,1 и полимерной матрицы, состоящей из эпоксидной модифицированной

Контроль и испытания

смолы КДА и ароматического отвердителя метафенилендиамина (МФД), является наиболее теплостойкой из реактопластов, рассмотренных в данной работе.