Високотемпературна ізоляція для космічних кораблів

Як в авіації, так і в космічній техніці усі деталі повинні мати порівняно невелику масу. Це стосується також і ізоляційних матеріалів, тому нелегко виробити такий матеріал, котрий мав би наряду з високими механічними та теплоізоляційними характеристиками невелику масу та мати невелику вартість. Так, наприклад, фірма PNL (США) розробила керамічний матеріал з тканих металевих та керамічних ниток. Міцність матеріалу порівняна з міцністю сталі A1, хоча їх питома маса складає 0,1 маси металів. Матеріал назначений для довгострокової експлуатації в космосі та його вартість склала близько 11250 доларів за 1 кг. Для запобігання виробів від ударів метеоритів передбачені багатошарові екрани. У композиційних матеріалів з вуглецевою матрицею, армованою волокнами вуглецю низька густина, підвищена механічна міцність при дуже високих температурах та висока стійкість до окислення. Вартість таких композиційних матеріалів склала 5000—45000 доларів за один кілограм.[5].

2. Сировинні матеріали для виготовлення високотемпературної ізоляції

Склад сировинних матеріалів високотемпературної ізоляції може бути різним. Одні сполуки придають виробу в’язкість,інші–пористість, твердість, міцність, теплоізолюючі якості та інші властивості. Тому в залежності від спеціального призначення ізолюючого матеріалу склад сировинних матеріалів регулюють таким чином, щоб забезпечити надійну службу ізоляції на протязі довгого часу.

Але основними сировинними матеріалами для виготовлення високотемпературної ізоляції є карбіди, зокрема карбід кремнію та нітрид кремнію. Розглянемо властивості цих матеріалів.

Нітрид кремнію Si3N4 отримують високотемпературними хімічними реакціями при 1000–1600ºС. Перші керамічні реакціонно спечені пористі вироби із Si3N4 були отримані пресуванням виробів із порошка Si з послідуючим опалом в середовищі N2.Густі вироби із Si3N4 мають високу твердість, стійкість до окислення та в’язкість руйнування

4—11 МПа•м1/2. високотемпературні властивості в більшій мірі пов’язані з використанням активуючих спікання домішок, таких як CaO, MgO, Y2O3 та інших оксидів РЗЕ. Густина Si3N4 3,44 г/см³. Нітрид кремнію кристалізується в орторомбічній системі. При температурі 1900 ºС Si3N4 розкладається. Нітрид кремнію хімічно інертний до багатьох розплавлених металів та солей. Розплавлені їдкі луги розкладають його з виділенням аміаку.

Нітрид кремнію використовують як зв’язки у виготовлені виробів з карбіду кремнію. Таку зв’язку отримують шляхом опалу в середовищі азоту виробів з SiC та введеного в нього металічного кремнію. Коефіцієнт теплового розширення Si3N4 невеликий та складає 2,46•10-6 (при 20-1000 ºC). Теплопровідність полікристалічного Si3N4 0,0037 ккал/см•сек•ºС (при 200-1300 ºC). Термостійкість виробів добра. Поріг міцності при стисканні Si3N4 при кімнатній температурі 5000-6000 кГ/см², при згинанні 1100-1400 кГ/см². Міцністні характеристики до 1400ºС змінюються незначно. Густа Si3N4 – кераміка складена основним чином із високотемпературного Si3N4. Світове виробництво Si3N4 складає приблизно 500 т/рік.Карбіди— це з’єднання вуглецю з металами (MeC). Вони відрізняються високою температурою плавлення або розкладання. Найбільше використання у техніці здобули карбіди титану TіC і карбід кремнію SіC. Карбід титану використовують головним чином для виготовлення жаростійких матеріалів, деталей в реактивній техніці, а також деяких виробів для атомних реакторів та в інших випадках. Карбід кремнію SiC найбільш широко використовують в ряді областей техніки завдяки великій твердості (абразиви), вогнетривкості та специфічним електрофізичним властивостям. Дані о властивостях SiC наведені нижче.

Густина в г/см³ ………………………………………… 3,21

Твердість по мінералогічній шкалі ………………9,2—9,5

Мікротвердість в кг/см² ………………………3000—4500

Поріг міцності в кг/см²: при стисканні перпендикулярно оптичній осі…22500 при згинанні …………………………………………1550

Теплопровідність виробів із рекристалізованого карбіду кремнію при 200-1400 ºC в кал/см•сек•град …………………0,04