CC BY
417
В ходе использования модифицированных адсорбентов в газовой хроматографии получены следующие закономерности:
- сорбируемость органических соединений рассматриваемых классов на модифицированных образцах увеличивается в ряду:
к-МТХС<к-ТЭОС<к-ДЭДХС<к-ДМДХС<к-ФТХС<к-ТМХС<к-ЭДХС<к-МДХС<к-ЭТХС Это обусловлено количеством и природой привитых активных центров адсорбентов;
- модифицированные адсорбенты проявляют наибольшую селективность к углеводородам бензольного ряда, что определяется природой модификатора.
Список литературы
1. Экспериментальные методы в адсорбции и молекулярной хроматографии / Под ред. Ю. С. Никитина, Р. С. Петровой, 2-е изд. - М.: Изд-во МГУ, 1990. - 318 с.
2. Химия привитых поверхностных соединений / Под ред. Г. В. Лисичкина.- М.: Физматлит, 2003. - 592с.
УДК 666.266.6
Н.Е. Уварова, Ю.Е. Ананьева, Е.Г. Болокина, Л.А. Орлова, Н.В. Попович Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия РАДИОПРОЗРАЧНЫЕ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Рассмотрены материалы для защиты от внешних воздействий радиотехнических систем, размещенных на летательных и аэрокосмических аппаратах. Проведено сравнение радиопрозрачных материалов, показана тенденция их разработки на основе нитридов бора, кремния и системы 813М4-А1203-АШ-8Ю2 с доминирующей фазой Р^АЮК Сделан вывод о перспективности создания радиопрозрачных материалов нового поколения на основе разработки композитов с применением в качестве матрицы высокотемпературной бесщелочной алюмосиликатной стеклокерамики или нитридной керамикию
Тактико-технические характеристики современных летательных и аэрокосмических систем различного назначения и соответственно эффективность их использования во многом определяются техническими характеристиками радиотехнических систем, размещенных на борту. Для их защиты от внешних воздействий используется диэлектрическая теплозащита. Одним из важнейших элементов конструкции летательного аппарата (ЛА), в значительной степени определяющих аэродинамические характеристики и точность наведения на цель является головной антенный обтекатель. К материалам антенных обтекателей самолетов и ракет предъявляется комплекс требований: высокие радиотехнические характеристики, устойчивость к тепловому удару, низкие значения теплопроводности, теплоемкости, высокая прочность во всем температурном диапазоне, высокая ударная вязкость, низкая плотность - как фактор снижения массы [1-2]. С развитием скоростей и маневренности ЛА требования к материалам обтекателей значительно возросли. Например, для ракет различных классов, работающих на скоростях 5-12 М, температура на поверхности обтекателя может достигать 2000°С, а силовые нагрузки до 10 т. В связи с этим требуются более совершенные радиопрозрачные материалы, обладающие низкой диэлектрической проницаемостью и малыми диэлектрическими потерями, высокой температурой эксплуатации (выше 14000С), высокой механической прочностью, эрозионной стойкостью к воздействию дождя, пыли и газов при полетах на гиперзвуковых скоростях.
В качестве радиопрозрачных материалов весьма перспективны керамические и стеклокристаллические материалы (ситаллы), обладающие высокой однородностью свойств и термостойкостью [3-4]. Высокочастотные керамики и стеклокристаллические материалы имеют достаточно малый тангенс угла потерь (tgô < 0,001) и высокую стабильность свойств при изменении температур: например, для ситаллов диэлектрическая проницаемость не меняется более чем на ± 1%, а тангенс угла потерь - более чем на ± 20 % при изменении температуры от - 60 до + 1200 °С. Точность изготовления из них обтекателей высокая (толщина стенки колеблется в пределах ± 20 мкм), что дает возможность обеспечить малое влияние их на характеристики излучения соответствующих антенных устройств. Обтекатели из ситалла и кварцевой керамики могут успешно применяться при скоростях, больших 3 М, и работать в условиях жесткого термоудара (с темпом нагрева до 250-300 °С/сек).
Наиболее известным стеклокерамическим материалом является пирокерам 9606 фирмы Corning Glass (США) [5]. Это стеклокерамика магниевоалюмосиликатной системы с двуокисью титана в качестве катализатора. Главной кристаллической фазой является кордиерит, обеспечивающий низкие диэлектрические потери, высокую устойчивость к тепловому удару и высокую механическую прочность, а также устойчивость к дождевой эрозии, но для получения изделий требуемой формы необходимо проведение после термообработки механической и химической обработки поверхности. Материалы данного класса используются для изготовления обтекателей ракет «З-В» «В-В», а также для изделий морского и аэродромного базирования, т.к. в связи с отсутствием пористости отличаются хорошей устойчивостью к длительному воздействию морской воды, повышенной влажности даже без использования специальных покрытий. В начале 80-х годов фирма Raytheon Company создала материал, подобный пирокераму и отвечающий составу 2 MgO2Al2O35SiO2, получивший название Rayceram 8. Изделия изготавливались методом изостатического прессования, при этом тсключалась дорогостоящая стадия механической обработки поверхности изделий. Управляя размером частиц, составом и микроструктурой получали материал, который по диэлектрическим и термическим свойствам превосходил пирокерам, но промышленного развития Rayceram 8. не получил. В России для изготовления обтекателей применяют сподумен-эвкриптитовые ситаллы, имеющие ТКЛР, близкий к нулю, высокую термостойкость, коррозионную стойкость и низкие значения диэлектрических потерь [6]. Однако указанные виды стеклокерамики имеют температуры эксплуатации, не превышающие 11000С.
В последние десятилетия наметилась тенденция разработки радиопрозрачных материалов на основе нитридов бора, кремния и системы Si3N4-Al2O3 -AlN-SiO2 с доминирующей фазой ß-SiAlON [7-9].
В середине 80-х годов фирма General Dynamics разработала радиопрозрачный материал GD-1 с составом, выражаемым формулой Si6-zAlzOzN8-z, где z=2. Материал имел диэлектрическую проницаемость 8=7,00-7,7 и tgô=0,003-0,004 при 1000°С, но не выдерживал механической обработки. Сегодня GD-1 переживает второе рождение в связи с разработкой нового метода формования, называемого "gelcasting", эаклю-чающегося в подготовке суспензии керамического порошка в органическом мономере, формовании обтекателя, гелеобразовании и термообработке при температуре выше 16000С. Получаемый таким методом материал по свойствам превосходит кордиерито-вую и сподуменовую стеклокерамику.
Фирма Lockheed Martin на основе нитрида кремния разработала материал IRBAS, имеющий высокие термические и механические свойства, но тангенс угла диэлектрических потерь повышается при температурах выше 10000С. Этот материал в настоящее время используется в ракетных системах РАС-3.
Фирма Ceradyne Inc. разработала серию материалов, основой которых также является Si3N4, к ним относится Ceralloy 147-31N, Ceralloy 147-01EXP, в основе их получения лежит керамическая технология. Ceralloy 147-31N применяется во многих ракетных системах, где высоки механические и аэротермические нагрузки. Механические и диэлектрические свойства Ceralloy 147-01EXP находятся между плавленым кварцем, IRBAS и пирокерамом. Уникальность этого материала состоит в том, что его диэлектрические свойства устойчивы до 14000С. Сравнительная характеристика свойств различных радиопрозрачных материалов приведена в таблице.
Таблица. Свойства различных радиопрозрачных материалов
Свойство Пирокерам 9606 Плавленый кварц IRBAS Ceralloy147-31N Ceralloy147-01 EXP
Изготовитель Corning Inc. Ceradyne Thermo Materials Lockheed Martin Ceradyne Inc. Ceradyne Inc.
Состав Кордиерит Плавленый кварц Нитрид кремния Нитрид кремния Реакционно-спеченный нитрид кремния
Плотность(г/см3) 2,6 2,2 3.18 3.21 1.8-2.5
Модуль Юнга (ГПа) 121 37 280 310 50-200
Коэффициент Пуассона 0,24 0,15 0,25 0,24
Прочность(МПа) 240 43 550 800 180
Термическое расширение (10"6/°С) 4,7 0,7 3,2 3,1
Теплопроводность (Вт/мК) 3,3 0,8 20 25 6
Диэлектрическая проницаемость (8) 5,5 3,3 7,6 8 4-6
Тангенс угла диэлектрических потерь^З) 0,0005 0,003 0,002 0,002 0,002-0,005
Нитрид бора обладает лучшими диэлектрическими характеристиками из всех известных в настоящее время материалов. Он является единственным материалом, которого при температуре до 15000С остается ниже 0,001. Уникален нитрид бора и по стабильности диэлектрических характеристик. Изменение 8 спеченного нитрида бора в диапазоне 20-13 5 00С не превышает 3%, тогда как даже для кварцевой керамики эта величина равна 10%, но он имеет сравнительно низкие значения прочности и твердости. Из всех радиопрозрачных материалов при комнатной температуре самую низкую прочность имеет нитрид бора.
В связи с этим одним из перспективных путей создания радиопрозрачных материалов нового поколения является разработка композитов с применением в качестве матрицы высокотемпературной бесщелочной алюмосиликатной стеклокерамики или нитридной керамики [10-12].
Для антенных обтекателей космических летательных аппаратов, проходящих через плотные слои атмосферы, разработан композиционный материал с наполнителем из ните-
видных кристаллов окиси алюминия и матрицей из нитрида бора. Этот материал пригоден для работы при температурах до 1927 °С. Для изготовления антенного обтекателя из данного материала сначала получают мат из нитевидных кристаллов оксида алюминия. Затем методом осаждения из паровой фазы пропитывают этот мат нитридом бора. Полученный материал стоек к окислению, обладает хорошими механическими свойствами и радиопрозрачностью; из него можно получать детали любой конфигурации.
В последнее время появилась информация о создании американской фирмой Advanced Cerametrics, 1пс.технологии производства непрерывных волокон нитрида кремния, сиалона и цельзианового волокна, получаемого на основе системы SiO2-Al2O3-BaO [13]. Это дало им возможность изготавливать композиционные радиопрозрачные материалы с цельзиановой матрицей BAS, армированной непрерывными цель-зиановыми волокнами. Полученные материалы имеют высокую термостойкость, эрозионную стойкость, хорошие диэлектрические характеристики и улучшенные показатели механической прочности и трещиностойкости, что открывает им широкие возможности для изготовления обтекателей сверхзвуковых летательных аппаратов.
Список литературы
1. Русин М.Ю. Проектирование головных обтекателей ракет из керамических и композиционных материалов / М.Ю.Русин. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 64 с.
2. Михайлов В.Ф. Прогнозирование эксплуатационных характеристик антенн с теплозащитой / В.Ф. Михайлов, К.А. Победоносцев, И.В. Брагин.- С-Пб.: Судостроение, 1994. - 300 с.
3. Русин М.Ю. Радиопрозрачные обтекатели из новых стеклокристаллических материалов для летательных аппаратов / М.Ю.Русин, А.С. Хамищаев // Авиационная промышленность.- 2004.- № 4.- С.10-14.
4. Михеев С.В. Керамические и композиционные материалы в авиационной технике / С.В. Михеев, Г.Б. Строганов, А.Г. Ромашин. - М : Альтекс, 2002. - 275 с.
5. Holand Wolfram. Glass ceramic Techology /Wolfram Holand, George Beall.-Amer.Cer.Soc., 2002. - 375 р.
6. Саркисов П.Д. Направленная кристаллизация стекла - основа получения многофункциональных стеклокристаллических материалов / П.Д.Саркисов. - М.: РХТУ им. Д.И.Менделеева, 1997.-.218 с..
7. Wen G. Co-enhanced SiO2-BN Ceramics for High-temperature Dielectric Application / G. Wen, G.L.Wu , T.Q.Lei // J. Euro Ceram.Soc.- 2000.-№11.-Р.19-23.
8. Kirby Kevin W. Gelcasting of GD-1 Ceramic Radomes / Kevin W.Kirby, Anthony Jankie-wicz, Mark Janney, Claudia Walls, Don Kupp // Proceeding of the 8th DoD Electromag. Windows Symposium.- 2000.- P.287-295.
9. Omatete O. Gelcasting -a New Ceramic Forming Process /О. Omatete, Janney M., R. Strehlow // Ceramic Bulletin.- 1991.-№10.- P.28 -35.
10. Shen Qiang. Progresson New Type high temperature Ceramic missiles Radome Materials / qiang Shen, Fei Chen, Lianmeng Zhang// Materials Review.- 2006.-№9.-P.1-4.
11. Patent № 5891815 US. Silicon boron, aluminium composite, article and metod of making the same / Dodds G.C., Tanzilli R.A.-1999.
12. Patent № 5358912 US. BAS reinforced in-situ with silicon nitride /Douglas W.F., Kerry K.B.- 1994.
13. Cass R.B. Fiber Reinforced Ceramic Radome Material with Improved Resistance to Thermal Shock, High Temperature and Erosion / R.B.Cass // Advanced Cerametrics, Inc., 2006.- p.1-7.
