Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Фрактальная размерность как параметр шероховатости поверхности 9
1.1. Значение геометрических характеристик поверхности при наземной отработке изделий РКТ 10
1.2. Получение данных о геометрии поверхности на микро- и наноуровне 15
1.3. Оценка параметров шероховатости микро- и наноструктуры поверхностного слоя 20
1.4. Зависимость фрактальной размерности от масштаба увеличения 32
1.5. Выводы 34
Глава 2. Построение геометрических моделей шероховатости поверхности на микро- и нано- уровне 36
2.1. Существующие подходы к моделированию негладких форм 37
2.2. Алгоритмы геометрического моделирования структуры поверхности, основанные на теории фракталов 46
2.3. Устранение шума, возникающего при моделировании недифференцируемых форм 55
2.4. Верификация полученных данных и сравнение параметров реальной поверхности и ее математической модели 59
2.5. Выводы 62
Глава 3. Фрактальная геометрия в решении задач газовой динамики и тепломассообмена 64
3.1. Фрактальная теория применительно к изучению свойств теплозащитных материалов и покрытий 65
3.2. Вычисление площади шероховатой поверхности с помощью фрактальной теории для уточнения параметров теплового потока 70
3.3. Фрактальная модель в расчетах взаимодействия разреженного газа с шероховатой поверхностью 76
3.4. Исследование зависимости физических свойств от фрактальной размерности поверхности 81
3.5. Выводы 95
Заключение 97
Принятые обозначения и сокращения 100
Литература 113
Приложение А Выходные данные СТМ на примере стали 30ХГСА 113
Приложение Б Акт внедрения результатов диссертационной работы в процесс экспериментальной отработки тепловой защиты спускаемого аппарата ППТС (ПАО «РКК «Энергия») 121
- Получение данных о геометрии поверхности на микро- и наноуровне
- Верификация полученных данных и сравнение параметров реальной поверхности и ее математической модели
- Фрактальная теория применительно к изучению свойств теплозащитных материалов и покрытий
- Исследование зависимости физических свойств от фрактальной размерности поверхности
Введение к работе
Актуальность темы.
Микроструктура поверхности является важной характеристикой, с которой
связаны такие свойства, как микротвёрдость, износостойкость, усталостная
прочность, коэффициент трения, тепло-силовые нагрузки, аэро- и
газодинамические сопротивления и т.п. Решение задач газовой динамики в условиях отсутствия данных о реальной структуре поверхности, с которой взаимодействуют молекулы газа, затрудняет формулировку граничных условий для расчета переноса энергии и импульса при обтекании тел.
Математические модели поверхностей металлов, сплавов и нанопокрытий, используемые при моделировании таких физических процессов, как рассеяние световых полей, ламинарно-турбулентный переход или взаимодействие молекул газа с поверхностью, содержат в большинстве случаев сильные упрощения. Допущение о гладкости поверхности приводит к ряду физически необоснованных выводов, ибо экспериментально доказано, что микроструктура поверхности на нанометровом и атомарном уровне оказывает значительное влияние на результаты расчётов.
Как показали исследования последних лет, эффективным способом моделирования шероховатых (недифференцируемых) поверхностей для решения задач газодинамики является использование методов фрактальной геометрии, учитывающих шероховатость на микро- и наноуровне и базирующихся на справедливости утверждения, что структура естественной поверхности одинаково фрактальна на всех уровнях.
Задача построения геометрической модели микроповерхности имеет как теоретические, так и прикладные аспекты. Как известно, физические процессы, возникающие при взаимодействии атомов и молекул газа с поверхностью, весьма сложны. Поэтому требуется теоретически обоснованная трактовка результатов наземной экспериментальной отработки фрагментов летательных аппаратов (ЛА). Прикладное значение определяется необходимостью оптимизации средств диагностики потоков в высокоэнтальпийных установках, в которых происходит имитация теплового нагружения, действующего на ЛА в процессе полёта, а так же технологических процессов создания теплозащитных материалов и покрытий изделий ракетно-космической техники (РКТ).
Объект исследования. Структура поверхности на микро- и наноуровне. Предмет исследования. Методы геометрического моделирования микроструктуры поверхности для решения задач газовой динамики и тепломассообмена.
Цель исследования – развитие методов геометрического моделирования микроструктуры поверхности на основе теории фракталов.
Для достижения сформулированной цели поставлены следующие основные задачи:
на основе геометрического анализа микро- и наношероховатости поверхности обосновать выбор эффективного параметра оценки ее структуры;
аппроксимировать параметры реальной микро- и наноструктуры поверхностного слоя с помощью фрактальной модели;
с использованием методов фрактальной геометрии подтвердить влияние геометрических характеристик поверхности на физические свойства теплозащитных материалов.
Научная новизна:
-
Обоснован выбор параметра фрактальной размерности в качестве эффективной характеристики развитости микро- и наноструктуры шероховатой поверхности. Фрактальная размерность эквивалентно заменяет целый комплекс амплитудных и шаговых характеристик шероховатости поверхности из ГОСТ 2789-73. Предложено использование параметра фрактальной размерности применительно к задачам теплообмена в высокоэнтальпийных неравновесных потоках
-
Усовершенствованы алгоритмы моделирования микроструктуры поверхности внесением геометрически упорядочивающей составляющей, что позволило эффективно аппроксимировать шероховатость поверхности с неровностями на микро- и наноуровне одновременно. Преимуществом построения фрактальных поверхностей перед классическими моделями негладких форм является полнота описания геометрии поверхности.
-
Исследована возможность применения фрактальных моделей поверхностей для определения свойств теплозащитных материалов изделий авиационной и ракетно-космической техники. Экспериментально подтверждено, что фрактальные модели позволяют упростить и удешевить расчёт взаимодействия газа со стенкой за счёт исключения этапа непосредственного исследования геометрических характеристик реальной поверхности.
Практическая значимость.
Фрактальная модель поверхности, получаемая с помощью предложенных алгоритмов построения, предназначена для уточнения экспериментальных данных по каталитической активности материалов тепловой защиты и переноса этих данных на условия натурного полета ЛА в атмосфере.
Практическую значимость исследования составляют результаты, полученные при моделировании недифференцируемых форм для нужд газовой динамики, в т.ч. для снижения погрешности измерения энтальпии торможения газа в высокотемпературных установках и стендах за счёт использования высококаталитических (металлических) покрытий с сильно развитой структурой
поверхностного слоя. Экспериментально доказано, что на такие физические величины как измеряемый тепловой поток и коэффициент зеркального отражения влияет микро- и наногеометрия поверхности.
Практическим приложением работы стало внедрение результатов исследования в процесс экспериментальной отработки элементов конструкции стыковочного узла аппарата ППТС (ПАО «РКК Энергия») в части интерпретации эффекта снижения конвективных тепловых потоков на выступающие элементы, покрытые высокотемпературной краской.
Обоснованность и достоверность.
Исследования выполнены с учётом современного состояния изученности проблемы влияния геометрических свойств микро- и наношероховатости материалов на физико-химические процессы обтекания их высокоэнтальпийным газом.
Построение математической модели шероховатой поверхности с использованием фрактальных принципов обосновано теоретически, подтверждено экспериментально и положено в основу исследования влияния геометрии микро- и наноструктуры поверхности на физические свойства исследуемых материалов.
Данные о геометрии микро- и наноструктуры поверхности исследуемых материалов получены с использованием сканирующего туннельного микроскопа, для калибровки которого использовалась тестовая поверхность с известными параметрами рельефа.
Апробация работы.
Результаты диссертации докладывались на семинаре профессоров Ю.М.Липницкого и В.В.Лунёва (ФГУП ЦНИИмаш); на семинарах молодых учёных и специалистов ФГУП ЦНИИмаш; на 58-й научной конференции МФТИ; на заседании кафедры инженерной графики МГТУ им. Н.Э. Баумана; на 9-й Всероссийской школе-семинаре «Аэротермодинамика и физическая механика классических и квантовых систем» АФМ-2015 в ИПМех РАН; на научно-практической конференции «Космонавтика и ракетостроение: взгляд в будущее», посвящённой 70-летию со дня образования НИИ-88/ФГУП ЦНИИмаш; на 2-й всероссийской научно-технической конференции «Современное состояние методов, средств и метрологического обеспечения экспериментальных исследований, испытаний и эксплуатации изделий авиационной и ракетно-космической техники»; на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ (2013-2016); на семинаре «Физико-химическая кинетика в газовой динамике» под руководством профессора А.В.Уварова (НИИ Механики МГУ).
Материалы диссертации были представлены на международных конференциях «XII International Conference on Nanostructured Materials» (NANO
2014, г.Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова), «Композиционные материалы на древесных и других наполнителях» (2014, г.Мытищи, ФГБОУ ВПО МГУЛ), «ГрафиКон-2017» (г.Пермь, ПГНИУ).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Теоретически и экспериментально обоснованный выбор параметра фрактальной размерности в качестве эффективного критерия оценки развитости микро- и наноструктуры шероховатой поверхности.
-
Усовершенствованные алгоритмы для создания геометрической модели поверхности, качественно аппроксимирующей параметры микро- и наношероховатости реальной поверхности для решения задач газовой динамики и тепло-массообмена.
-
Экспериментальное подтверждение возможности использования фрактальной модели при определении свойств теплозащитных материалов изделий ракетно-космической и авиационной техники.
Публикации.
Основные результаты диссертации изложены в 19 публикациях, 7 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объём работы.
Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, трёх глав, заключения, списка принятых обозначений и сокращений, списка литературы. Общий объем текста диссертации – 121 страница, включая 64 рисунка, 11 таблиц, библиографический список из 119 наименований, два приложения.
Получение данных о геометрии поверхности на микро- и наноуровне
Первые приборы (профилометры) для исследования геометрии поверхности на микроуровне, появились в тридцатые годы XX века в автомобильной и авиационной промышленности. Использование профилометров в качестве стандарта чистоты поверхности [71] стало классическим методом получения профиля поверхности в машиностроении. Однако, в областях науки, связанных с изучением физических процессов, таких как тепло- и массоперенос, их использование неэффективно. Это связано с тем, что принцип работы профилометра основан на взаимодействии щупа с поверхностью материала и является контактным методом, необратимо воздействующим на поверхность. Еще одним недостатком является невозможностью работы в нанометровом диапазоне.
Эти ограничения привели к тому, что профилометры остались востребованы в качестве измерительных приборов для контроля качества в тех областях промышленности, где достаточно их точности в оценке состояния поверхности по профилю.
В последние годы наблюдается тенденция перехода от работы с двумерной моделью (ГОСТ 2789-73, статистического описания при помощи теории цепей А.А.Маркова) к трехмерной модели (Е.А.Белкин, Ю.С.Степанов) с одновременным сокращением количества учитываемых параметров без потерь в их информационной полноте. В связи с этим, для получения качественных снимков наноструктуры поверхностного слоя без наложения на исследуемый образец жестких требований большое распространение получили сканирующие туннельные микроскопы (СТМ). Примером такого микроскопа является нанотехнологический комплекс Умка-02-Е (рис.2). Получаемые с его помощью снимки так же позволяют судить о поверхностной структуре материалов и дают достаточно полную картину перепада высот в пределах рассматриваемой области.
Работа сканирующего туннельного микроскопа, изобретенного Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году [83, 84, 85], базируется на принципе вакуумного туннелирования. В 1978 году Бинниг и Рорер исследовали спектры тонких оксидных слоев на металлах. В своих работах они показали, что это достаточно простой и весьма эффективный способ исследования поверхности с пространственным разрешением вплоть до атомарного.
В целом, сканирующий туннельный микроскоп сочетает в себе три функциональные возможности: сканирование, туннелирование и локальное зондирование. Отсутствие оптических линз исключает искажение из-за аберраций, а не превышающая нескольких эВ электронная энергия, выполняющая роль щупа, меньше энергии химических связей. Это исключает разрушение или порчу образца во время сканирования, в то время как в электронной микроскопии, энергия электронов может быть до нескольких МэВ, что приводит к появлению радиационных дефектов.
Областью применения сканирующего туннельного микроскопа является физика поверхности твердых тел, а основным достоинством является то, что он не просто дает возможность разглядеть поверхность с большим увеличением, но и позволяет построить оцифрованное трехмерное изображение рельефа в абсолютных координатах.
Принцип работы СТМ довольно прост: тонкая металлическая игла (обычно вольфрамовая), смонтированная на пьезоэлементе, перемещающемся по трем координатам (x, y, z), служит зондом, отслеживающим изменение поверхности образца, закрепленного на пьезоманипуляторе подвода образца. Когда игла подводится к поверхности на расстояние z0 = 0,1…10 нм то возникает однозначная связь между силой туннельного тока и расстоянием от зонда до поверхности образца. При приложении между острием иглы и образцом небольшого напряжения (от 0,01 до 10 В) начинает протекать туннельный ток. При сканировании поверхности образца в направлении x и/или y с одновременным измерением выходного сигнала в направлении z можно получить данные о геометрии поверхности. Работа СТМ в режиме сканирования может быть основана на одном из двух принципов: измерении туннельного тока и поддерживании расстояния от острия иглы до поверхности образца при постоянном туннельном токе. Второй принцип используется чаще. Принципиальная схема работы сканирующего туннельного микроскопа Умка-02-E, на котором проводилось исследование, представленa на рисунке 3.
Сканирование поверхности c помощью СТМ заключается в движении иглы вначале вдоль строки, когда идет сохранение данных о геометрии поверхности, а затем в переходе на следующую строку. Записанный при этом сигнал z = f(x, y) обрабатывается ПК и сохраняется в виде матрицы размером nn. Каждому значению (хi, уj) соответствует определенная точка рельефа в пределах поля сканирования. Так как размер поля сканирования выбирается заранее, зная размер матрицы, то легко вычисляется шаг между соседними точками.
Максимальный размер матрицы для снимка СТМ Умка-02-Е составляет 256256 точек. Визуализация снимка сканирующего туннельного микроскопа производится посредством ПК. В приложении 1 приведена матрица данных (4040 узловых точек) для фрагмента стали 30ХГСА размером 0,1440,144 мкм.
Для калибровки сканирующих туннельных микроскопов используются специальные тестовые структуры с известными параметрами рельефа поверхности. Так как тестовые образцы достаточно дороги, то сканировался CD диск с известным расстоянием между дорожками (рис.4).
Основной проблемой при работе с СТМ является задача изоляции от механических и акустических высокочастотных колебаний, приводящих к появлению мелко- и крупнодисперсного шума. Для снижения внешних вибраций, а соответственно и шума на снимках, СТМ был установлен на стол с усиленным каркасом, расположенным непосредственно на фундаменте. Это дало возможность проводить качественный анализ геометрии исследуемой поверхности на основе массива полученных данных о высотных отметках. Для практического использования полученных результатов необходимо их представить небольшим числом качественных параметров, наиболее полно отражающих особенности микроструктуры поверхности. В задаче построения математической модели недифференцируемых форм, вопрос описания микроструктуры является одним из основных.
Верификация полученных данных и сравнение параметров реальной поверхности и ее математической модели
Для верификации алгоритмов моделирования фрактальной поверхности и вычисления фрактальной размерности проводилось тестирование методики определения фрактальной размерности путем численного расчета некоторых простых фрактальных поверхностей. Это выявило соответствие между теоретическим и расчетным значением. Комплексный анализ характеристик шероховатости по ГОСТ 2789-73 [36] для реальной микроповерхности и ее фрактальной модели исключил возможность несоответствия геометрических параметров.
В данной работе проводилось тестирование [13] на следующих поверхностях: фрактальная поверхность, полученная с использованием усовершенствованного алгоритма броуновского движения (рис. 39, а); плоскость (рис. 39, б); «лестница» (рис. 39, в); поверхность с образующей кривой Коха (рис. 39, г).
Поверхность из кривой Коха является результатом параллельного переноса одноимённой кривой [72].
Результаты определения фрактальной размерности тестовых поверхностей представлены на рисунке 40 и в таблице 4.
Таким образом, проведенная верификация расчетной методики на основе вычисления кубической (дробной) размерности поверхности для простых фрактальных поверхностей имеет хорошее соответствие с теоретическими результатами.
Необходимо отметить, что сравнение реальной микроповерхности медного сплава, представленной на рисунке 25б, и искусственной фрактальной поверхности, получаемой с использованием усовершенствованного алгоритма броуновского движения только на основе равенства их Хаусдорфовой размерности D выглядело бы некорректным. Поэтому был проведен комплексный расчет характеристик шероховатости реальной и искусственной поверхностей в соответствии с ГОСТ 2789-73 [36], а именно:
– высотных характеристик профиля (Ra, Rz, Rmax);
– шаговых характеристик профиля (Sm, S);
– параметра относительной опорной длины профиля (tp).
Результаты сведены в таблицу 5.
Анализ результатов расчета, приведенных в таблице 5, дает основание утверждать, что алгоритмы формирования фрактальной поверхности достаточно просты и пригодны для аппроксимации реальной микроповерхности, полученной с помощью СТМ. В свою очередь, создание фрактальной поверхности, корректно описывающей свойства реальной микроструктуры поверхностного слоя теплозащитных покрытий, закрывает проблему создания геометрической модели для численного моделирования методом Монте-Карло.
Фрактальная теория применительно к изучению свойств теплозащитных материалов и покрытий
Особую роль для изделий ракетно-космической техники играют материалы и функциональные покрытия, удовлетворяющие требованиям к теплозащите, износостойкости, радиационной и коррозионной стойкости. Изучение свойств материалов представляет собой решение комплексной задачи определения геометрических параметров поверхности и анализа физико-химических характеристик.
В качестве примера в работе исследованы свойства углеродного покрытия, полученного плазмохимическим осаждением на керамику [23]. Нанесение подобного покрытия позволяет целенаправленно модифицировать геометрическую структуру поверхности материала. Наиболее интересных свойств добиваются в результате нанесения самоподобных наноструктурированных покрытий. Методы получения подобных покрытий разнообразны и достаточно хорошо применимы к уже готовым изделиям. Во многих работах приводятся примеры значительных изменений свойств материала после формирования тонкого слоя покрытия [41, 49, 65].
Плазмохимический способ синтеза наноструктурированных материалов с использованием нагрева и сублимации или разложения исходных веществ в плазме высокочастотного индукционного газового разряда приводит к получению поверхностей с фрактальной структурой. В основном, при получении самоподобных наноструктур используется углеродосодержащий порошок с добавками различных катализаторов. В рассматриваемом случае исходным материалом является метан (СН4), который с расходом 1,1 г/с через порошковый питатель MPF-700 вводился в разрядную камеру установки. Разложение метана требует значительно меньших затрат энергии, чем сублимация частиц углерода. Поэтому выход конечного продукта в данном процессе может быть увеличен по сравнению с ранее использованным [49]. Кроме того, присутствие водорода в газовой смеси может оказывать дополнительное каталитическое воздействие на образование наноструктур. Получение покрытия осуществлялось осаждением паров углерода на керамические кольца внутри кварцевой трубки разрядной камеры (рис.41) в результате разложения метана. Было выполнено исследование полученной структуры с помощью различных микроскопов: оптического ММУ-3, растрового электронного JEOL JSM-7600 и сканирующего туннельного УМКА-02-Е.
Фотографии поверхности углеродосодержащего покрытия представлены на рисунке 42. Результаты спектрального анализ, расшифровка которого приведена в таблице 6, подтверждают получение именно углеродного покрытия.
Определение геометрических свойств материалов требуется для выявления зависимости каталитической активности от площади поверхности, применительно к реакциям рекомбинации атомов и теплообмена ЛА [31, 87, 94, 111, 118].
В п.1.4 было показано, что для поверхностей металлов и сплавов, имеющих самоподобный рельеф на масштабах съемки от 30 нм до 8 мкм [14], вычисление площади поверхности взаимодействующей с потоком высокоэнтальпийного газа возможно на основе знания фрактальной размерности. Полученное предложенным способом покрытие имеет самоподобную структуру поверхности в масштабах от микрометрового до нанометрового и имеет фрактальную размерность DNano=2,46.
Взаимосвязь геометрических и физико-химических свойств поверхности покрытия наглядно показана на рисунке 43. Здесь схематично представлен адсорбционный слой из атомов на гладкой (а), шероховатой (б) и пористой (в) поверхностях.
Скорость реакции гетерогенной рекомбинации атомов для ударного механизма Или-Райдила пропорциональна количеству активных центров на единице поверхности (рис. 44), а для механизма Ленгмюра-Хиншельвуда – их квадрату. На кварцевом стекле при Тw 1000К преобладает второй механизм [30].
На реальной поверхности, имеющей неровности вследствие изготовления или образовавшиеся в результате воздействия плазменного потока, количество активных центров может быть существенно больше (рис. 43, б). В п.3.3 будет показано, что количество активных центров отсека поверхности медного сплава в 9 раз превышает число активных центров его проекции. Это вполне реально, так как при высоких температурах протекание реакций происходит преимущественно по механизму Ленгмюра-Хиншельвуда, что может привести к возрастанию вероятности рекомбинации на порядок величины.
Критерий, определяющий отношение скорости течения химической реакции к скорости других процессов, происходящих в системе, называется числом Дамкелера и выражается в виде Z = KwpJ(a/cp), где Kw - константа скорости гетерогенной рекомбинации атомов, pw - плотность газа при температуре стенки, а/ср - коэффициент теплообмена.
В случае, когда на гладкой поверхности Z 0,1…1, такое изменение может привести к существенному возрастанию теплового потока. Наличие пор в поверхностном слое материала также может приводить к существенному возрастанию ее каталитичности за счет увеличения количества активных центров поверхности и связанному с этим возрастанию скорости реакции (рис.43, в).
Вероятность гетерогенной рекомбинации атомов можно записать следующей структурной формулой [11, 12, 22, 26] yw = f(p, Tw)f2(S/S0), (9) где fi(p,Ту») - функция, связанная с химическими свойствами материала и определяется экспериментально для анализируемого материала или покрытия, f2(S/So) - функция, связанная с отличием структуры поверхности исследуемого материала от плоскости. Следует отметить, что вычисление /? становится достаточно простым с учетом известной фрактальной размерности.
Величина функции Д особенно при высоких температурах, когда процесс рекомбинации идет по механизму Ленгмюра-Хиншельвуда, может существенно превышать единицу. Поскольку ранее этот фактор во внимание не принимался, то он, возможно, служит одной из причин значительного разброса значений yw, полученных разными авторами для одного и того же материала [7]. Из формулы (9) следует, что при разработке и изготовлении многоразовых материалов тепловой защиты гиперзвуковых ЛА необходимо свести к минимуму параметры шероховатости и пористости поверхностного слоя.
В то же время при определении энтальпии диссоциированного газа (например, в потоках ВЧП) увеличение шероховатости и пористости поверхностного слоя приводит к возрастанию величины Д Это должно способствовать увеличению скорости гетерогенных реакций на поверхности и снижению погрешности определения энтальпии. Поэтому знание величины фрактальной размерности и, как следствие, площади реальной поверхности, взаимодействующей с потоком разреженного газа, важно для правильной интерпретации условий, воссоздаваемых при наземной экспериментальной отработке теплозащитных материалов спускаемых летательных аппаратов.
Исследование зависимости физических свойств от фрактальной размерности поверхности
Подтверждение допущения, что при увеличении шероховатости возрастает скорость гетерогенных реакций, проводилось экспериментальным исследованием физико-химического воздействия на основные конструкционные сплавы: медный, стальной, алюминиевый, никелевый и титановый.
Геометрические характеристики испытуемых образцов представлены в таблице 9. Для адекватности сравнения получаемых данных перед началом исследования образцы №№ 1-5, были отполированы на шлифовально полировальном станке Struers Tegramin-30 до чистоты Rz=1,6, а поверхности образца № 6 была придана шероховатость Rz=80 [19]. Следует отметить, что в данном исследовании необходимо было исследовать структуру поверхностного слоя каждого из образцов в связи с использованием различных по составу сплавов. Поверхности указанных металлов исследовались на сканирующем туннельном микроскопе (увеличение 10000х) для нахождения зависимости физических свойств от фрактальной размерности поверхности, взаимодействующей с потоком газа. С помощью СТМ также были получены профилограммы поверхностей. На рисунках 49-54 приведены профили поверхностей и визуализация снимков образцов перечисленных выше сплавов.
Данные сканирующей туннельной микроскопии были использованы при оценке развитости структуры поверхности путем вычисления фрактальной размерности. Результаты расчета фрактальной размерности представленных образцов приведены в таблице 10. Для изучения влияния развитости поверхности (охарактеризованной фрактальной размерностью) на физические свойства, были исследованы оптические свойства [15] на модернизированном приборе КФК-2 (рис. 55).
В приборе КФК-2 была реализована система отклонения пучка света с помощью зеркал (рис. 56). Это дало возможность построить графики зависимости коэффициента зеркального отражения от длины волны в видимом диапазоне (рис. 57) для каждой из рассмотренных поверхностей.
Пучок света от источника излучения (1) - лампы галогенной КГМ 6,3-15 после прохождения конденсора (2), попадает на диафрагму (3) 2 мм, а затем объективом (4), (5) увеличивается в 10 раз. Система отклонения светового пучка вводится между защитными стеклами (9), (14). Для выделения узких участков спектра из сплошного спектра излучения лампы, предусмотрены светофильтры (8). Теплозащитный светофильтр (6) введен в световой пучок при работе в видимой области спектра 400…490 нм. Для ослабления светового потока при работе в спектральном диапазоне 400… 540 нм установлены нейтральные светофильтры (7). Диафрагма (10) дает возможность вручную регулировать диаметр пучка в диапазоне от 2 до 16 мм. Зеркало (11) отклоняет пучок света на поверхность исследуемого материала (12), а зеркало (13) направляет отразившийся световой поток на фотоприемник. Фотоприемники работают в разных областях спектра:
- фотоэлемент Ф-26 (18) в области спектра 315…540 нм;
- фотодиод ФД-24К (15) - в области спектра 590… 980 нм. Пластина (17) делит световой поток на два: 10% светового потока направляется на фотодиод ФД-24К и 90% - на фотоэлемент Ф-26. Для уравнивания фототоков, снимаемых с фотоприемника ФД-12К при работе с различными светофильтрами, перед ним установлен светофильтр (16) из стекла СЗС-16.
Принцип измерения коэффициента зеркального отражения состоит в том, что на фотоприемник направляются поочередно световые потоки:
- полный Fox, отраженный от эталонной поверхности (абсолютно зеркальной на выбранной длине волны);
- отраженный от испытуемого образца .
После этого определяется отношение этих потоков: г = Fx/Fox На колориметре это отношение определяется следующим образом: -устанавливается эталонный образец и изменением чувствительности колориметра стрелка на шкале отражения колориметра подводится к значению 100. Таким образом, полный световой поток F0x принимается равным 1; - в световой пучок помещается образец, а полученный при этом отсчет по шкале будет соответствовать Fx.
При этом необходимо учитывать, что полный световой поток Fox при падении на поверхность рассчитывается как сумма коэффициентов: F0x= + kd + Fx, где є - коэффициент поглощения (степень черноты поверхности материала); ка - коэффициент диффузного отражения.
Исследование оптических показателей выявило хорошую закономерность, свидетельствующую о том, что с увеличением фрактальной размерности коэффициент зеркального отражения падает.
Кроме того для полноты эксперимента было проведено изучение влияния микроструктуры поверхности на измеряемый тепловой поток в ВЧП [30, 47] без сопла (выходное сечение 0 = 180 мм) в потоках азота и воздуха. Модель, содержащая образцы испытуемых сплавов (рис. 58), устанавливалась на расстоянии / = 65 мм от выходного сечения. Во всех экспериментах реализовывался дозвуковой режим течения с давлением газа/? = 25 мбар и мощностью по анодному питанию N = 100 кВт. Расход плазмообразующего газа (азота и воздуха) составлял G = 5,1 г/с.
В ходе экспериментов проводилась регистрация электрических параметров установки:
- тока и напряжения на индукторе;
- расхода и давления газа в разрядной и рабочей камерах;
- времени ввода-вывода моделей и зондов. Схема эксперимента показана на рис.1.
Измерения температуры поверхности модели проводились через разрядную камеру ВЧП тепловизором FLIR А-40, работающим в инфракрасном диапазоне длин волн Л = 7…9 мкм. Поскольку воздушная плазма прозрачна для инфракрасного излучения, то такая схема измерений позволила проследить все особенности нагрева образцов и получить распределения температуры и теплового потока по поверхности модели, обращенной к плазменному потоку.
Время выхода на квазистационарный режим прогрева образцов, определяется числом Фурье Fo\ Fo = axlh2, где а = q/(T0–Tw) - коэффициент температуропроводности материала калориметра; г– время; h - толщина.
Так как испытуемые образцы имеют относительно большой размер, то необходимо соблюдение условий, при которых Fo 0,5.
Указанное условие обеспечивает однородность температуры Т по толщине датчика в каждый момент времени. Для исключения перетечек тепла через боковые стенки, испытуемые образцы помещались в теплоизолятор, сохраняющий работоспособность в потоке высокотемпературного газа.
Наиболее полно удовлетворяют данным условиям и требованиям тепловых режимов материалы на основе кварцевых волокон, например ТЗМК-10, в которых максимально подавлен радиационный и конвективный перенос тепла через поры и основу.
При разработке ТЗМК-10 на основе кварцевых волокон, к исходным компонентам предъявлялись требования не только по минимальному содержанию примесей, но и по их совместимости с аморфным кварцем. При смешивании кварцевых волокон со связующим оно в основном концентрировалось в зоне контакта волокна и при последующем обжиге формировался пространственный каркас, объем которого более чем на 50% состоял из пустот (рис. 59, б, слева).
Поскольку в реальных условиях теплозащита работает в зоне воздействия высокотемпературного воздушного потока, который может вызвать разрушение поверхности ТЗМК, каждый элемент на заводе-изготовителе снабжался наружным покрытием (рис. 59, б, справа), выполняющим следующие функции:
- обеспечение требуемых оптических характеристик для переизлучения теплового потока;
- эрозионная защита ТЗМК-10 от воздействия встречного напора воздуха;
- защита высокогигроскопического ТЗМК-10 от попадания воды и влаги. Наибольшее распространение получили покрытия типа ЭВЧ.