Создание перспективных композиционных материалов, армированных керамическими структурами для аддитивного производства элементов конструкции ракетных двигателей малой тяги

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00419

НазваниеСоздание перспективных композиционных материалов, армированных керамическими структурами для аддитивного производства элементов конструкции ракетных двигателей малой тяги

Руководитель Колесник Сергей Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Конструкционные материалы, композиционные материалы, керамика, полимеры, дисперсные системы, ультразвук, аддитивные технологии, плазма, математическое моделирование

Код ГРНТИ30.19.57

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Анализ использования ракетных двигателей малых тяг на современных космических аппаратах показывает, что наиболее перспективными двигателями как с точки зрения надежности, так и с точки зрения экономичности являются электроракетные двигатели. Принцип работы электрических ракетных двигателей состоит в образовании плазмы рабочего газа с последующим ускорением её компонентов с помощью электрического поля для получения тяги двигателя. Скорость истечения ионов рабочего газа существенно выше, чем в традиционных химических ракетных двигателях. Особенно перспективным с учетом двух этих эксплуатационных параметров, но пока технически не доведенным до совершенства, является высокочастотный ионный двигатель. Для увеличения мощности высокочастотного ионного двигателя необходимо увеличивать диаметр газоразрядной камеры до 500 мм и выше при сохранении толщины стенки на прежнем уровне – не более 4-5 мм, т.к. уменьшение массы рабочего тела двигателя позволяет увеличить массу полезной нагрузки космического аппарата. Применяемые образцы газоразрядных камер из алюмооксидной керамики и композита на основе нитрида кремния с диаметром камеры до 160 мм в принципе обладают удовлетворительными эксплуатационными свойствами. Однако увеличение диаметра газоразрядной камеры выше 160 мм существенно ограничивается возможностями технологии производства керамических изделий. Кроме того, наряду с трудностью формовки и спекания таких изделий, существенной эксплуатационной проблемой керамических газоразрядных камер является их низкая стойкость к значительным вибрационным нагрузкам, возникающим при выводе космического аппарата на околоземную орбиту. Решением этой проблемы является изготовление газоразрядной камеры из композиционного материала на основе керамики и кремнийорганического связующего. Особенностями применения таких композиционных материалов являются их высокие диэлектрические свойства и высокая стойкость к вибрации. В качестве дисперсного керамического наполнителя возможно использовать мелкодисперсные порошки таких неорганических материалов, как оксиды алюминия, кремния, нитриды бора или кремния и т.д. Исходя из этого, настоящий проект направлен на решение фундаментальной проблемы разработки универсального аддитивного метода получения нового класса высокоэффективных конструкционных композиционных материалов с дисперсной армирующей фазой, представленной керамическими частицами и керамической или кремнийорганической матрицей, преобразовываемой в процессе синтеза или воздействия эксплуатационных условий в керамику. Такие материалы наряду с применением во множестве общетехнических задач имеют значительные перспективы применения в качестве ответственных деталей ракетных двигателей малой тяги. Примерами таких деталей ракетных двигателей малой тяги могут служить газоразрядные камеры электроракетных двигателей, сопла вихревых жидкостно-ракетных двигателей и др. К свойствам таких материалов обычно предъявляется целый спектр требований, порой взаимоисключающих. Например, к материалу газоразрядной камеры электроракетных двигателей предъявляются повышенные требования к высоким диэлектрическим и демпфирующими свойствам, а от керамики для сопел жидкостно-ракетных двигателей малой тяги требуется высокая стойкость к термическому шоку, высокая жаростойкость и абляционная стойкость. Однако, несмотря на столь разные требования к свойствам керамических материалов, с точки зрения технологических подходов к их изготовлению в процессах 3D-печати керамики, применяемых сегодня, все эти материалы крайне близки, и решение технических проблем при адаптации метода 3D-печати для одного состава керамики зачастую приводят к возможности 3D-печати всего семейства материалов. Таким образом, большим шагом вперед стало бы не только создание нового класса полимер-керамических материалов, но и создание универсальной установки и методики 3D-печати, способной осуществлять прототипирование семейством различных по фазовому и химическому составу керамических материалов, объединенных между собой только временной технологической связкой. Проведение измерений физических параметров процессов внутри работающего электроракетного двигателя также является сложной технической задачей. Поэтому при проектировании таких двигателей и разработке конструкционных материалов для них крайне необходима разработка методов математического моделирования физико-химических процессов, протекающих при работе двигателя, решение термоупругих задач, в том числе численные расчеты температур элементов конструкции и, в частности, газоразрядных камер с целью определения пригодности того или иного материала на различных режимах работы двигателя. Исходя из этого, в настоящем проекте планируется разработать, во-первых, методики получения материала дисперсной армирующей фазы – функциональных керамических частиц различного размера и химического состава и заданных геометрических и физико-механических характеристик, во-вторых, методики получения наполненных полимерных композиционных материалов и методики изготовления образцов газоразрядных камер из таких материалов, в-третьих, методы моделирования условий работы образцов газоразрядных камер в составе высокочастотных ионных двигателей и методы оценки теоретических и экспериментальных результатов испытания образцов газоразрядных камер из композиционных материалов. Особенно важным аспектом при создании полимерных композиционных материалов на основе наночастиц является управление свойствами поверхности синтезируемых частиц. Известно, что свойства композиционного, особенно органо-неорганического материала в значительной степени определяются характеристиками взаимодействия различных составляющих его компонентов (фаз). С целью повышения прочности и селективности такого взаимодействия необходимо влиять на свойства поверхности фаз, создавая активные центры (функциональные группы) взаимодействия. В случае твердых керамических частиц дисперсной фазы перспективным и хорошо зарекомендовавшим себя путем повышения активности поверхностных центров является воздействие на частицы мощного ультразвука выше порога кавитации в жидкофазной среде. В таком случае частицы обладают активированной поверхностью с большим количеством активных центров и дефектов, что повышает эффективность создания на их поверхности полимерных адсорбционных слоев повышенной прочности. Помимо выработки оптимальных рецептур конструкционных композиционных материалов, эти исследования позволят получить принципиально важную фундаментальную информацию о влиянии различий в строении молекул полимеров на их поведение на границе раздела фаз (твердая фаза-жидкость и жидкость-жидкость), об их поверхностной активности, их нано- и микродоменной морфологии в конденсированном состоянии. В результате выполнения проекта будет создана принципиально новая методика непрерывной генерации наноразмерных частиц заданного химического состава с контролируемыми физико-механическими характеристиками, создания на их основе конструкционных композиционных материалов и образцов газоразрядных камер из них (в том числе с использованием методов аддитивных технологий), моделирования параметров работы электроракетного двигателя и результатов испытания газоразрядных камер из различных материалов, а также разработаны схемы и принципы действия оборудования для реализации этих процессов. Будет разработан универсальный аддитивный метод получения энергонагруженных деталей из керамических материалов, существенно отличающихся друг друга как химическим, так и фазовым составом и предложена концепция универсального аддитивного метода формирования керамических деталей – прототипов высокой точности. Предлагаемый способ включает в себя впервые предлагаемую технологию наплавления слоев переохлажденных термопластических дисперсий керамических порошков, активированных ультразвуковым воздействием и технологию получения таких дисперсий для различных керамических составов. Предлагаемый способ, в случае его успешной реализации в рамках проекта, позволит получать беспористые керамические изделия, в том числе из композитов с дисперсным армированием, не требующие механической обработки после спекания, что по совокупности свойств делает способ крайне востребованным в современной науке и технике.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Булычев Н.А. Synthesis of gaseous hydrogen and nanoparticles of silicon and silicon oxide by pyrolysis of tetraethoxysilane in an electric discharge under the action of ultrasound International Journal of Hydrogen Energy, 47(84), pp. 35581–35587 (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijhydene.2022.08.163

2. Колесник С.А., Стифеев Е.М. Numerical Simulation of Inverse Retrospective Problems for a Nonlinear Heat Equation Mathematical Models and Computer Simulations, Vol. 15, No. 6, pp. 1123–1131. (год публикации - 2023)
10.1134/S2070048223060145

3. Колесник С.А., Новиков А.С. Heat Transfer between Viscous Flow and Cooled Rocket-Engine Components Russian Engineering Research, Vol. 43, No. 7, pp. 818–822. (год публикации - 2023)
10.3103/S1068798X23070146

4. Бурова А.Ю., Мамонов В.А., Булычев Н.А. Unerroric of vibration diagnostics of a hydrogen engine INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2023.09.129

5. Бутусова О.А., Булычев Н.А. Amphiphilic Block Copolymers as Stabilizers of Silica and Silicon Nanoparticles Synthesized in Plasma Discharge under Ultrasonic Cavitation Nanoscience and Technology: An International Journal (год публикации - 2024)

6. Колесник С.А., Стифеев Е.М. Numerical Simulation of Inverse Retrospective Problems for a Two-Dimensional Heat Equation Lobachevskii Journal of Mathematics, Vol. 45, No. 5, pp. 2315–2328 (год публикации - 2024)
10.1134/S1995080224602583

7. Ситников С.А., Астапов А.Н., Данилов М.Д., Мельников А.В., Бутусова О.А., Булычев Н.А. Полимер–керамический композит для изготовления диэлектрических деталей космических двигателей малой тяги ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И ИНЖИНИРИНГ, том 15, № 6, с. 567–572 (год публикации - 2024)
10.56304/S207956292406040X

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках этапа 2024 года выполнены следующие работы и получены научные результаты: Разработаны методики процесса стабилизации твердого наполнителя (таких, как порошки SiO2 Al2O3) в органической матрице на базе деметилсилоксанов. Так как установлено, что применение колебательных методов воздействия (ультразвуковое и вибромеханическое воздействие) имеет малую эффективность, в дисперснных системах, имеющих высокую вязкость, за счет затухания колебаний на небольшом расстоянии от источника, для этих целей использовались высокоскоростное перемешивание погружной мешалкой, либо (в случае вулканизации) каландрирование. Проведена оптимизация процессов вулканизации доспекания/отжига композитов в вакууме для получения заданной бездефектной микроструктуры материала, обладающего рядом необходимых эксплуатационных свойств – таких как вибростойкость, термостойкость и высокие диэлектрические свойства. Установлено, что наиболее критичным параметром для получения максимально работоспособного изделий из таких материалов является скорость нагрева до достижения температуры вакуумного отжига (380...400ºС). Исследованы зависимости механических свойств образцов полученных композитов, в том числе твердости и прочности на разрыв от особенностей технологических процессов получения заготовок методами 3D-печати и последующего доспекания/отжига в вакууме, а также от химического и гранулометрического состава керамического порошка-наполнителя. Установлено, что твердость таких композитов зависит только от концентрации и дисперсности дисперсной армирующей фазы. Также показано что, длительная термообработка в вакууме значительно повышает твердость образцов. Измерения прочности на разрыв композитов после термообработки в вакууме показали, что этот параметр чувствителен к выбранному материалу дисперсной армирующей фазы. Проведены эксплуатационные испытания разрабатываемых материалов с целью выявления их пригодности для применения в составе двигателей малой тяги, а также с целью выявления факторов эксплуатации двигателя, которые могут негативно воздействовать на ресурс и надежность работы диэлектрических деталей из разрабатываемого композита. Разрядная камера выполненная из полимер-керамического композита показала характеристики, близкие по значениям к характеристикам камеры из керамики на основе нитрида кремния. Однако, в связи с невозможностью обеспечить длительную надёжную работу высокочастотного ионного двигателя с такой рабочей камерой были были найдены и проверены методы повышения живучести композитного материала в условиях негативного воздействия плазмы. Исследованы альтернативные варианты состава частиц дисперсного наполнителя с целью оптимизации компонентного состава наполнителя в композите и повышения живучести разрядной камеры. Предложены и испытаны керамические дисперсные наполнители, которые поглощают, преобразуют или экранируют ультрафиолетовое излучение и коротковолновую часть видимого спектра внутри или на поверхности матрицы. Сформулированы требования для создания опытных образцов изделий из разрабатываемого композита для экспериментальных двигательных установок. Доработана лабораторная установка 3D-печати из полимер-керамических композитов с учетом полученных в ходе экспериментальных исследований результатов, проработаны узлы установки с целью повышения ее производительности и повышения ресурса. В качестве основного метода 3D-печати разрядной камеры из полимер-керамических композитов с матрицей на основе диметилсилоксанового каучука, наполненной до 50-60 вес. % керамическими частицами со средним диаметром частицы, находящемся в диапазоне 50…160 мкм, был выбран метод, опирающийся на технологию стереолитографического получения полимерных деталей. Изготовлены образцы газоразрядных камер электроракетных двигателей методом 3D-печати из полимер-керамических композитов на базе дисперсий керамических частиц и матрицы на основе кремнийорганических жидкостей. Получены результаты экспериментов по измерению электрофизических и эксплутационных свойств образцов газоразрядных камер электроракетных двигателей из полимер-керамического композита и деталями системы подачи рабочего тела из керамических композитов и проведены оценки возможности их применения в составе перспективного высокочастотного ионного двигателя, а также последствий замены керамической разрядной камеры на разрядную камеру из полимер-керамического композита. Сформулированы четкие требования к фазовому и химическому составам дисперсионного наполнителя и химическому составу кремнийорганической матрицы полимер-керамического композита для подтверждения максимально высоких эксплуатационных свойств деталей из этого материала на примере высокочастотного ионного двигателя. Отработана технология получения деталей двигательных установок космического назначения из полимер-керамических композитов методом 3D-печати и последующей вакуумной термообработки.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Ожидаемые результаты при успехе данного проекта способны сформировать существенный научно-технологический задел в области высокоточных методов получения и обработки конструкционных композиционных материалов. Разработанные методики могут быть использованы на промышленных предприятиях при производстве термонагружаемых изделий различного назначения. Существенно, что в рамках проекта отработана методика формования 3D-изделий с использованием аддитивных технологий, что позволяет достигать точных геометрических характеристик изделий после формования. Отработанные в рамках проекта методики могут быть реализованы на оборудовании различных производителей, обеспечивающем требуемые режимы воздействия.