За счёт создания термического градиента и его планомерного перемещения от центра заготовки к периферии обеспечивается последовательное уплотнение материала осадками углерода так же от центра к периферии.
Абсолютное давление в печи 0,1 МПа. Парциальное давление метана 0,052 МПа (0,52 бар). Остальное азот. Температура на внутренней поверхности устанавливается не менее 1300 К. При этой температуре степень конверсии метана практически 100 %. Поэтому поток диффузии метана от внешней поверхности полностью исчезает в объёме с температурой 1300 К. Обратный поток газа составляет только водород.
 |
 |  |  |
 |
 |
 | | | |||||||||||
 |  | | | ||||||||||
 |
 |
 |
Коэффициент теплоотдачи излучением при 1300 К и более на внутренней поверхности до 100 вт/м2.грд, на внешней, где теплоотдача осуществляется только конвекцией 20 вт/м2.грд. Теплопроводность пакета перед уплотнением 0,4 вт/м.грд, после уплотнения до плотности 1,75 г/см3 до 14 вт/м.грд. Плотность волокна 1,72 г/см3, пакета 0,85 г/см3 и пироуглерода 2,1г/см3.Пусть высота заготовки 260 мм, внутренний диаметр 60 мм, внешний 260 мм. Тогда внутренняя поверхность 0,00073 м2, а внешняя 0,014 м2.
В результате теплового баланса
из за весьма малой теплопроводности углеволокнистого пакета устанавливается на внешней поверхности температура не более 700 К. При этой температуре конверсия метана полностью отсутствует.
По мере заполнения внутренних объёмов пакета отложениями пироуглерода его теплопроводность повышается и регион с температурой 1300 К расширяется. Для сохранения температурного баланса электрическая мощность установки так же несколько повышается. Контрольная термопара передвигается во внешнюю зону заготовки для достоверного контроля расположения границы температурной зоны 1300 К. При этом для компенсации возрастающего расхода метана его подача так же несколько возрастает. Процессом управляют в целом таким образом, что бы обеспечить среднюю плотность по толщине заготовке не менее 1,75 г/см3. Отходящие газы состоят из водорода и метана. Они дожигаются в постоянном пламени специальной горелки. Других экологических проблем у производства нет.
§ 6. Физико-механические и теплофизические свойства материалов.
В настоящее время в промышленном масштабе для сопловых блоков РДТТ выпускаются объемно армированные УУКМ типа КИМФ, Десна и Эра. Материалы КИМФ-МБ, «Десна Т-1» и «Десна Т-2» имеют ортогональную 3D структуру армирующего каркаса, поэтому их характеристики не зависят от размера заготовок, что позволяет использовать для расчетов уже имеющиеся данные, в том числе и данные паспорта-аттестата.
Материал Эра-2 имеет полярную структуру армирования. Уровень характеристик материалов с такой структурой армирования, их распределение (неоднородность) по радиусу, а также уровень внутренних напряжений зависят от типоразмера заготовок. Правильней говорить не о материале, а о семействе материалов Эра-2 с разными характеристиками. Это подтверждается и данными таблицы2. Естественно, новый типоразмер заготовок для экспериментального моноблока или для штатного изделия – это новый материал в семействе материалов Эра-2, и требует проведения соответствующих исследований его свойств в полном объеме. Поэтому, с точки зрения наличия физико-механических и теплофизических характеристик выбор должен быть сделан в пользу материалов КИМФ-МБ, «Десна Т-1» и «Десна Т-2». Для окончательно выбора целесообразно было бы сравнить уровень характеристик указанных материалов. К сожалению, мы не располагаем паспортными данными материала Эра-2, поэтому в таблице 2 использованы данные в защиту одной из партий.
Таблица 1
Физико-механические и теплофизические свойства материалов по ТУ.
| Характеристики | Един. изм. | Направл. | КИМФ-МБ ТУ92-2-202-87 | Десна Т-1 ТУ48-4807-213-87 | Направл. | Эра-2 15Д366.10.20.004ТУ | |
| Тип каркаса | 3D плетеный | 3D стержневой | Полярный | ||||
| Основные сырьевые материалы | УКН-5000, газ природный | УКН-5000, средне- и высокотемпературные пеки | УКН-5000 высокотемпературный пек | ||||
| Контроль | Сплошной | сплошной | сплошной | партионный | |||
| Плотность | г/см3 | ³1,65 | ³1,90 | 1,94±0,04 | |||
| sраст | МПа | X,Y Z | ³100 | R Q Z | ³55 | ||
| sсжат | МПа | X,Y Z | ³140 | ³130 | R Q Z | ³120 ³100 ³110 | |
| Eраст | ГПа | X,Y Z | £60 | R Q Z | £38 £42 | ||
| Eсжат | ГПа | X,Y Z | £23 | R Q,Z | £29 | ||
| ТКЛР | K-1×10-6 | X,Y Z | £3,5 20-2800°C | R,Q Z | £1,5 20-1000°C | ||
| l | Вт/м×K | X,Y Z | £74 | R Q,Z | ³25 ³35 | ||
| К-т термопрочности для ТКЛР 20-2800°С | K | X,Y | ³560 |
В таблице 2 представлены фактические значения:
- средних характеристик материала КИМФ-МБ по результатам совместных с НПО «Композит», исследований,
- характеристик материала «Десна Т-1» по паспорту-аттестату №01/46-92,
- средние значение сдаточных (по ТУ) характеристик материала «Десна Т-1» за период с 1993 по 1998 годы,
- средние значения сдаточных характеристик материала «Десна Т-2»,
- характеристик материала Эра-2 в защиту одной из партий изделий 366 и 467.
Таблица 2
Физико-механические и теплофизические свойства материалов.
| Характеристики | Един. изм. | Направл. | КИМФ-МБ | Десна Т-1 | Десна Т-2 | Направл. | Эра-2 | ||
| Паспортные данные | Среднее 93-98 г. | ||||||||
| Плотность | г/см3 | ³1,65 | 1,91 | 1,91 | 1,93 | 1,95 | 1,94 | ||
| sраст при 20°С | МПа | X,Y Z | 56,0 34,3 | 111,0 114,0 | 121,1 | 147,2 150,6 | R Q Z | ||
| sраст при 2500°С | МПа | X,Y Z | 144,3 148,2 | 157,3 | 191,4* 195,8* | ||||
| Eраст при 20°С | ГПа | X,Y Z | 17,8 | 52,8 52,0 | 51,9 | 58,7 | R Q Z | ||
| Eраст при 2500°С | ГПа | X,Y Z | 52,8 52,0 | 41,5 | 47,0 | ||||
| sсжат при 20°С | МПа | X,Y Z | 143,0 146,0 | 152,7 | 420,9* | R Q Z | |||
| sсжат при 2500°С | МПа | X,Y Z | 147,3 150,4 | 157,3 | 433,5* | ||||
| Eсжат при 20°С | ГПа | X,Y Z | 16,7 14,7 | 35,4 36,5 | 37,5 | R Q Z | 23,5 22,1 | 19,6 26,6 | |
| Eсжат при 2500°С | ГПа | X,Y Z | 15,9 16,4 | 16,9* | |||||
| Теплопроводность | Вт/м×K | X,Y Z | 8,0 4,4 | 53,8 49,0 | 60,2 | R Q Z | |||
| ТКЛР20-1000 | K-1×10-6 | X,Y Z | 0,6 0,6 | 0,63 | 0,62 | R Q Z | 1,2 | 1,1 | |
| ТКЛР20-2800 | K-1×10-6 | X,Y Z | 11,4 7,3 | 3,2 3,2 | 3,24 | 3,26 | |||
| К-т термопрочности для a до 1000°С | K | X,Y Z | R Q Z | ||||||
| К-т термопрочности для a до 2800°С | K | X,Y Z |
Примечание: «*» – значения высокотемпературных характеристик материала «Десна Т-2», полученные на основании зависимостей для материала «Десна Т-1».
В таблицах 1 и 2 для сравнения термопрочности материалов использован модифицированный критерий Кинджери:
,
где sb – предел прочности при растяжении,
E – модуль упругости при растяжении,
a – термический коэффициент линейного расширения в интервале температур.
В ТУ 48-4807-213-88 использован указанный критерий, в котором a взят в интервале температур 20-2800°С. Из-за отсутствия в нашем распоряжении данных по ТКЛР Эры-2 в интервале 20-2800°С, для расчетов критерия термопрочности были использованы данные по ТКЛР материалов в интервале 20-1000°С.
Как следует из представленных данных по своим прочностным характеристикам, а особенно по термопрочности, материал «Десна Т-2» превосходит другие материалы и является наиболее перспективным для создания силовой части моноблоков современных РДТТ CCI века.
END