CC BY
29УДК 621.311
A. С. Филимонов, В. А. Тарасов, М. А. Комков,
B. А. Моисеев, М. П. Тимофеев, Н. В. Герасимов
ВЛИЯНИЕ СВЯЗУЮЩИХ НА СВОЙСТВА НОВЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕКЛЯННЫХ МИКРОСФЕР
Предложены методика экспериментальных исследований и схема испытаний цилиндрических образцов сферопластика с полимерными и органосиликатными связующими. Определены теплофизи-ческие свойства теплоизоляционных материалов, даны рекомендации по их выбору для длительной работы в условиях высоких температур.
E-mail: alexf72@mail.ru
Ключевые слова: теплоизоляционные материалы, тепловые испытания, сферопластики, стеклянные микросферы, эпоксидное связующее,
органосиликатное связующее, фенолформальдегидное связующее, теплопередача, теплопроводность.
В современном мире все более широкое применение получают теплоизоляционные материалы (ТИМ) на основе стеклянных микросфер. Расширение областей применения этих материалов приводит к новым условиям их эксплуатации [1]. В настоящее время все чаще используют ТИМ на основе композиции из стеклянных микросфер и эпоксидного связующего [2]. Однако такие ТИМ хорошо работают без потери прочности при температурах, не превышающих 350 °С, а их уникальные свойства, в частности низкая теплопроводность при высокой конструкционной прочности, требуют применения и при более высоких температурах. В связи с этим актуальна задача исследования свойств ТИМ на основе стеклянных микросфер с различными связующими.
Целью данной работы является оценка влияния связующих на свойства новых теплоизоляционных покрытий с использованием стеклянных микросфер.
В работе решаются следующие задачи:
• исследование изменения теплового потока на внутренних и внешних поверхностях ТИМ;
• расчет фактических значений теплопроводности ТИМ с различными связующими;
• изучение поведения ТИМ при повторном тепловом нагружении.
Описание экспериментов. Для решения сформулированных задач была разработана технологическая схема проведения экспери-
ментов (рис. 1). В целях упрощения теплофизических расчетов был выбран осесимметричный вариант схемы.
Рис. 1. Схема расположения образцов ТИМ № 1—6 и установки термопар по длине трубы:
НЭ1, НЭ 2 — термопары, расположенные внутри стальной трубы; Т1—Т6 — термопары, расположенные на трубе в соответствии с номерами образцов ТИМ; О1— О6 — термопары, расположенные на поверхностях соответствующих образцов ТИМ
При реализации осесимметричной схемы было решено испытуемые образцы ТИМ изготовить в виде колец высотой 120 мм. При этом образцы различных ТИМ надевали на одну стальную трубу, что позволило за один эксперимент исследовать и сравнить несколько ТИМ.
В целях плотного соединения колец между собой с их торцевых краев были предусмотрены тепловые замки.
Для проведения исследований были выбраны: стальная труба (длина — 800 мм, наружный диаметр — 89 мм, толщина — 3,5 мм) и кольцевые секции из ТИМ (внешний диаметр — 130 мм, толщина — 18 мм).
Экспериментальная часть работы проходила на двух основных участках: в лаборатории Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Дмитров Московской обл.), где изготовляли кольца из ТИМ на основе базальтовых волокон [3] и сферопластиков; в лаборатории кафедры «Технологии ракетно-космического машиностроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва), где были изготовлены трубы, технологическая оснастка, приборы.
В рамках решения задачи сравнения характеристик различных ТИМ были изготовлены конструктивные элементы теплоизоляции на основе следующих композиций:
а) образцы № 1—4: стеклянные микросферы + эпоксидное связующее (рис. 2, а);
б) образец № 5: стеклянные микросферы + органосиликатное связующее (рис. 2, б);
в) образец № 6: базальтовое волокно + глинозем (рис. 2, в);
г) образец № 7: стеклянные микросферы + фенолформальдегид-ное связующее (рис. 2, г).
Рис. 2. Образцы ТИМ на основе следующих композиций:
а — стеклянные микросферы + эпоксидное связующее (образцы № 1—4); б — стеклянные микросферы + органосиликатное связующее (образец № 5); в — базальтовое волокно + глинозем (образец № 6); г —стеклянные микросферы + фе-нолформальдегидное связующее (образец № 7)
Для изготовления образцов ТИМ из сферопластиков использовали стеклянные микросферы марки МС-ВП-А9 по ТН 6-48-91-92 аппретированные АГМ-9 по ТУ 6-02-724-74.
Кольца из сферопластика были выполнены на основе эпоксидного компаунда ЭТАЛ-245, фенолоформальдегидного связующего и органосиликатной композиции ОС-11-07 по ТУ 84-725-78 с рабочей температурой до 500 °С.
Технологическую схему испытаний выбирали согласно следующим требованиям: температурные условия работы — до 500 °С,
удобство монтажа испытательного стенда и подводки измерительной аппаратуры.
Наиболее рациональным было признано горизонтальное расположение труб (рис. 3), что обеспечивало свободную подводку измерительной аппаратуры с торцев, упрощение сборки стенда, возможность легкой смены элементов системы нагрева и измерений.
Рис. 3. Стенд для тепловых испытаний
При проведении эксперимента показания снимались с нижней поверхностей трубы и колец из ТИМ, в частности температура внутренней поверхности трубы — с нижней и верхней сторон.
Нагрев осуществлялся от теплонагревателя, засыпанного внутри трубы литейным песком. В качестве нагревательного элемента был выбран ТЭН трубчатого типа длиной, близкой к длине трубы. Он располагался по осевой линии стальной трубы. Для точного регулирования нагрева использовали два последовательно соединенных реостата.
Для наиболее точного исследования поведения различных ТИМ при тепловом нагружении проводили два испытания по разным технологическим схемам.
Схема 1 (см. рис. 1) была предназначена для сравнения характеристик ТИМ:
1) на основе стеклянных микросфер и эпоксидного связующего,
полученных с применением разных технологических процессов (образцы № 1—4);
2) на основе стеклянных микросфер и эпоксидного связующего (образцы № 1—4), стеклянных микросфер и органосиликатного связующего (образец № 5), базальтового волокна и глинозема (образец № 6).
Расположение образцов ТИМ было выбрано из условия минимального влияния краевого эффекта. Для этого дополнительно было теплоизолировано пространство по краям трубы с помощью колец из базальтового волокна и глинозема.
Важным этапом исследований являлось изучение поведения различных материалов при повторном тепловом нагружении. Для этих целей был поставлен эксперимент по схеме № 2 (рис. 4), при этом сравнивали характеристики ТИМ на основе стеклянных микросфер и эпоксидного связующего (образец № 1), ТИМ на основе стеклянных микросфер и органосиликатного связующего (образец № 5), ТИМ на основе базальтового волокна и глинозема (образец № 6), ТИМ на основе стеклянных микросфер и фенолформальдегидного связующего (образец № 7). Для более точного сравнения теплофизических свойств материалов было решено заизолировать термопары О1, О5, О6, О7 с внешней стороны от песка с помощью ТИМ на основе базальтового волокна, так как существует возможность передачи теплоты через песок между соседними термопарами в радиальном направлении.
Рис. 4. Схема 2 расположения образцов ТИМ № 3, 6 и установки термопар по длине трубы
Результаты испытаний по схемам 1 и 2 приведены в табл. 1 и 2 соответственно.
Таблица 1
Изменение показаний термопар с течением времени в эксперименте по схеме 1
Время, мин Температура, °С
Т1 О1 Т2 О2 Т3 О3 Т4 О4 Т5 О5 Т6 О6 НЭ1 НЭ2
0 28 31 28 31 28 31 30 30 28 28 32 28 29 30
10 38 31 38 32 42 33 43 31 38 29 47 29 55 57
20 65 34 70 34 85 35 75 34 79 32 98 35 116 123
30 89 35 99 36 119 37 96 37 107 35 126 39 148 155
40 120 39 138 42 154 43 122 42 143 40 161 46 189 197
50 140 42 166 46 185 47 140 45 168 45 184 52 216 224
60 164 47 196 53 213 54 159 50 193 51 208 59 245 253
70 189 52 225 60 240 61 176 56 217 58 230 66 271 278
80 215 60 258 69 270 70 196 62 245 67 254 76 301 308
90 232 65 279 76 288 76 208 67 262 73 270 82 319 326
100 250 72 303 85 307 84 223 73 281 81 288 90 339 346
110 270 78 327 93 328 93 238 80 301 90 306 99 362 368
130 293 89 355 105 352 105 254 88 325 103 327 111 384 388
Таблица 2
Изменение показаний термопар с течением времени в эксперименте по схеме 2
Время, мин Температура, °С
T1 O1 T5 O5 T6 O6 T7 O7 НЭ1 НЭ2
0 31 24 32 30 33 25 35 30 41 53
30 58 27 53 33 66 32 60 34 78 96
45 103 36 90 42 118 49 103 45 134 153
60 159 55 139 60 178 79 159 64 195 215
80 217 84 192 87 239 115 219 92 258 277
100 260 111 232 113 283 142 264 116 303 321
115 296 133 264 136 319 166 305 140 341 359
135 326 152 292 157 351 186 336 163 371 388
155 356 176 322 184 384 215 368 189 402 414
170 362 188 329 196 391 224 374 198 408 419
185 369 198 331 207 396 231 379 205 412 423
По данным, представленным в табл. 1 и 2, определены значения теплопроводности:
; - % ^нар
ТИМ _ о / . . N Ш , 5 2п( - 2 ) <
где % — удельный тепловой поток, усредненное значение которого равно 145 Вт/м; ^вн, ёнар — внутренний и наружный диаметры кольца из ТИМ; ¿1, ¿2 — температуры на внутренней и внешней поверхностях колец из ТИМ.
Усредненные экспериментальные характеристики ТИМ даны в табл.3.
Таблица 3
Усредненные экспериментальные характеристики ТИМ
Номера образцов Теплопроводность ЯГИМ, Вт/(мК) Плотность, г/см3
1—4 0,037 0,43
5 0,055 0,50
6 0,04 0,25
7 0,047 0,45
Анализ данных табл. 3 показывает, что композиция образцов № 1—4 обладает более низкой теплопроводностью, более высокой прочностью, а это может оказаться существенным при многократных сборках и разборках. Однако масса теплоизоляции возрастает вдвое, а при длительном воздействии температуры около 450 °С, как показал эксперимент по схеме 2, эпоксидное связующее обугливается и в материале образуются трещины.
В результате повторного теплового нагружения выявлено, что:
1) ТИМ на основе базальтового волокна и глинозема (образец № 6) не теряет своих свойств, при этом его цвет практически не изменяется;
2) ТИМ на основе стеклянных микросфер и органосиликатного связующего (образец № 5) чернеет внутри, но его свойства при этом существенно не ухудшаются;
3) ТИМ на основе стеклянных микросфер и эпоксидного связующего (образцы № 1—4), а также ТИМ на основе стеклянных микросфер и фенолформальдегидного связующего (образец № 7) после повторных тепловых испытаний чернеют, покрываются микротрещинами, что свидетельствует о значительном снижении прочностных характеристик этих материалов.
Выводы. В результате экспериментов установлено: если в конструкции изделий необходимы высокие прочностные свойства ТИМ, то следует применять композицию стеклянные микросферы + орга-носиликатное связующее, а если прочностные свойства ТИМ не важны и при этом требуется малая масса, то рекомендуется использовать композицию на основе базальтового волокна и глинозема.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарасов В. А., Кашуба Л.А. Теоретические основы технологии ракетостроения: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. -352 с.
2. Комков М.А., Тарасов В. А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 431 с.
3. Тимофеев М.П. Разработка и исследование фильтрационной технологии изготовления изделий из волокнистых неорганических материалов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М.: МГТУ им. Н.Э Баумана, 2007. - 16 с.
Статья поступила в редакцию 19.09.2012
