Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние науки и практики в области получения бронерадиопоглощающих материалов и изделий
1.1 Виды и свойства керамических бронезащитных материалов. Критерии бронестойкости 11
1.2 Конструкционные особенности бронеэлементов и баллистическая стойкость бронекерамики 14
1.3 Сравнительная оценка химических составов корундовой бронекерамики отечественных производителей 18
1.4 Роль микроструктуры и механических свойств в формировании бронезащитных свойств керамики 19
1.5 Способы повышения механических характеристик и снижения температуры спекания корундовой бронекерамики 21
1.6 Классификация добавок и их роль на формирование структуры и свойства корундовой керамики. 23
1.7 Виды и свойства радиопоглощающих материалов 27
1.7.1 Виды и физические принципы защиты от электромагнитного излучения 27
1.7.2 Краткая характеристика магнитных материалов, используемых при создании радиопоглощающих покрытий 30
1.7.3 Способы применения магнитных радиопоглощающих материалов 36
1.7.4 Способы применения немагнитных и магнитодиэлектрических радиопоглощающих материалов 40
1.8 Выводы по главе 1. Постановка цели и задач исследования 42
Глава 2. Характеристики исходных материалов. Методы исследования и методики определения свойств
2.1 Характеристики исходных материалов 45
2.1.1 Свойства основного компонента шихты корундовой бронекерамики — глинозёма 45
2.1.2 Исходные компоненты, используемые для получения корундовой керамики и ферритовых поглотителей ЭМИ 48
2.1.3 Связующие материалы 50
2.1.4 Поглотители электромагнитного излучения 53
2.1.5 Физико-химические методы исследования 56
2.1.6 Методики определения физико-механических свойств 61
2.1.7 Методики определения радиопоглощающих свойств поглотителей в СВЧ-диапазоне 63
2.1.8 Структурно-методологическая схема исследования 65
Глава 3. Разработка корундовой бронекерамики с пониженной температурой спекания
3.1 Методологическая схема экспериментов 67
3.2 Анализ технологии и свойств бронекерамики отечественного производства (ЗАО «НЭВЗ-КЕРАМИКС») 67
3.3 Исследование влияния качества исходного сырья на температуру спекания и свойства корундовойбронекерамики 69
3.4 Исследование влияния эвтектических добавок на температуру спекания и свойства корундовой бронекерамики 74
3.4.1 Системы эвтектических смесей для корундовой керамики 74
3.4.2 Выбор и подготовка эвтектических смесей в системах: MgO-Al2O3-SiO2, MnO-TiO2, MnO-TiO2-Al2O3 74
3.4.3 Экспериментальные составы с добавками эвтектических смесей систем MgO-Al2O3-SiO2, MnO-Al2O3-TiO2, MnO-TiO2 и их свойства 84
3.5 Составы корундовой керамики с комплексными добавками, их свойства 87
3.6 Влияние добавок оксидов иттрия и магния на характеристики корундовой бронекерамики 91
3.7 Выводы по главе 3 101
Глава 4. Разработка и исследование свойств радиопоглощающих феррит-содержащих покрытий
4.1 Основополагающие принципы при выборе вида поглотителя ЭМИ 103
4.2 Экспериментальные составы ферритовых наполнителей и некоторые их свойства 104
4.2.1 Препарирование экспериментальных составов ферритов 104
4.2.2 Структурно-фазовые характеристики синтезированных ферритов 105
4.2.3 Процессы спекания ферритов 107
4.2.4 Радиопоглощающие свойства экспериментальных составов ферритов 110
4.3 Электромагнитное поглощение промышленных марок шпинельной ферритов 113
4.4 Спекание и регулирование микроструктуры и свойств ферритов систем: MnО-ZnО-Fe2O3 и NiO-ZnO-Fe2O3 117
4.5 Адгезионное взаимодействие корундовой керамики с ферритами 120
4.6 Технологические и конструкционные аспекты получения радио-поглощающих защитных покрытий на основе полимерных связующих 125
4.6.1 Радиопоглощающие свойства различных наполнителей 126
4.6.2 Технологические основы получения РПМ и нанесение его на броневую или металлическую основу защищаемого объекта 129
4.6.3 Конструкционные особенности при проектировании броне-радиопоглощающих устройств 132
4.7 Выводы по главе 4 134
Глава 5. Разработка базовой технологии получения корундовой бронекерамики и бронеэлементов на ее основе
5.1 Базовая технология получения корундовой бронекерамики 137
5.1.1 Характеристики исходных компонентов. Состав корундовой
бронекерамики 137
5.1.2 Базовая технологическая схема получения корундовой бронекерамики 139
5.1.3 Описание основных технологических режимов изготовления корундовой бронекерамики марки В-3 и изделий 141
5.1.4 Микроструктура и свойства корундовой бронекерамики производственного изготовления 147
Основные выводы 149
Список литературы 152
- Конструкционные особенности бронеэлементов и баллистическая стойкость бронекерамики
- Исходные компоненты, используемые для получения корундовой керамики и ферритовых поглотителей ЭМИ
- Исследование влияния качества исходного сырья на температуру спекания и свойства корундовойбронекерамики
- Технологические и конструкционные аспекты получения радио-поглощающих защитных покрытий на основе полимерных связующих
Введение к работе
Актуальность работы
Эффективность и боеспособность современных технических средств вооружения и сохранение личного состава в значительной степени определяются уровнем применяемых броневой и радиолокационной защит, которые, в свою очередь, зависят от качества и экономической доступности используемых для этих целей материалов.
Корундовая керамика в настоящее время является одним из распространенных видов броневой защиты, поскольку обладает хорошим сочетанием целевых свойств (плотностью, твердостью, прочностью и трещиностойкостью).
С учетом специфических и постоянно возрастающих требований к
целевым свойствам бронематериалов необходима разработка корундовой
керамики с повышенным уровнем физико-механических характеристик,
базирующегося на формировании мелкокристаллической,
равномернозернистой ее структуры, и конкурентоспособной масштабной технологии получения высококачественных бронеэлементов различной конфигурации.
Несмотря на то, что к настоящему времени разработано большое количество составов и технологий получения корундовой керамики, основным ее недостатком остается высокая температура обжига изделий (1700-1800С), поэтому общая тенденция по созданию энергосберегающих технологий предопределяет задачу по снижению температуры спекания корундовой керамики, используемой для бронезащиты. Решение этой задачи является актуальным, приоритетным.
Не менее важной задачей является создание эффективных
радиопоглощающих слоев на бронезащите. При решении этой задачи важными вопросами являются: научно-обоснованный выбор поглотителей, разработка способов нанесения и повышения уровня радиопоглощающих свойств композиционных поглотителей электромагнитного излучения в СВЧ диапазоне.
Работы, положенные в основу диссертации выполнялись в рамках
государственных научных и научно-технических программ: Минобрнауки
России «Создание промышленного производства изделий из функциональной и
конструкционной наноструктурированной керамики для высокотехнологичных
отраслей» шифр 2010-218-01-140 от 07 сентября 2010г.; Минпромторгом НСО
«Государственная поддержка научно-производственных центров в
Новосибирской области на 2011–2013 годы»; «Создание промышленного производства изделий из наноструктурированной керамики на базе ХК ОАО «НЭВЗ-Союз» совместно с ОАО «РОСНАНО» 2010–2014 гг.
Объекты исследования: корундовая бронекерамика на основе оксида алюминия с содержанием -Al2O3 более 99,0 мас.% и радиопоглощающим феррит-содержащим покрытием.
Предмет исследования: физико-химические процессы формирования микроструктуры и свойств корундовой керамики, модифицированной малыми добавками; радиопоглощающие свойства защитных покрытий с наполнителями разной физико-химической природы.
Цель работы: Разработка составов и технологии корундовой бронекерамики на основе оксида алюминия с содержанием -Al2O3 более 99,0 мас.% и радиопоглощающим феррит-содержащим покрытием, работающим в СВЧ-диапазоне.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Исследование химического, фазового, дисперсного составов основного компонента шихты корундовой керамики — глинозема разных производителей.
-
Выбор эвтектических смесей в качестве модифицирующих добавок корундовой бронекерамики в системах: MgO-Al2O3-SiO2; MnO-Al2O3-TiO2; MnO-TiO2.
-
Разработка составов корундовой бронекерамики с пониженной температурой спекания с применением высококачественного глинозема (-Al2O3 более 99,0 мас.%) и эвтектических, комплексных добавок.
-
Исследование физико-химических процессов формирования микроструктуры и свойств модифицированных составов корундовой керамики.
-
Исследование физико-механических характеристик разработанных составов корундовой керамики.
-
Разработка технологии получения корундовых бронеэлементов различной конфигурации.
-
Научно-обоснованный выбор ферритовых поглотителей для радиопоглощающих покрытий с учетом технологических факторов их получения и режимов работы.
-
Исследование радиопоглощающих свойств феррит-содержащих покрытий в СВЧ-диапазоне.
-
Разработка технологических основ получения бронерадиопоглощающих элементов, работающих в СВЧ-диапазоне и удовлетворяющих техническим требованиям по баллистике.
Научная новизна
1. Установлено, что введение в шихту корундовой керамики на основе
глинозема с содержанием -Al2O3 более 99,0 мас. % и эвтектических смесей (до 1,5 мас.%), находящихся в низкотемпературных областях диаграмм состояния систем: MgO-Al2O3-SiO2; MnO-Al2O3-TiO2; MnO-TiO2, способствует снижению температуры спекания изделий на 50-120 С за счет образования при обжиге микроколичеств расплава и проявления сил поверхностного натяжения между кристаллами корунда, интенсифицирующих процессы твердофазного спекания материала. Эффект снижения температуры спекания определяется составом
эвтектической смеси с возрастанием в ряду систем: MgO-Al203-Si02 MnO-Al203-Ti02 MnO-Ti02.
-
Установлено, что дополнительное введение в шихту оксидов магния и иттрия с соотношением MgO: Y203 как 1,5:1,0, совместно с эвтектической смесью MgO- 22,0; А1203 - 16,0; Si02 - 62,0 мас.% формирует при спекании равномернозернистую, мелкокристаллическую структуру корундовой керамики за счет блокирующего действия алюмомагнезиального слоя на зернах корунда и укрепления алюминатами иттрия узлов кристаллической матрицы, что обеспечивает материалу высокий уровень физико-механических свойств - высокую баллистическую стойкость при одновременном снижении температуры обжига изделий на 100-150С.
-
Установлено, что магнитожесткие и магнитомягкие ферритовые наполнители различных составов обладают высоким уровнем поглощения электромагнитного излучения (коэффициент отражения достигает значений -10 -25 дБ). В частотной зависимости поглощения проявляются размытые экстремумы, которые для ферритов со структурой шпинели (Ni-Zn, Mn-Zn, Li и Bi-ферриты) сдвинуты в область повышенных частот по сравнению с гексагональными (Ва, Ba-Zn, Sr-Zn, Ва-Со-ферриты) ферритами. Характерная частотная зависимость радиопоглощающих свойств шпинельных ферритов свидетельствует о едином механизме поглощения электромагнитного излучения.
-
Установлено, что эффективное широкополосное поглощение электромагнитного сигнала в СВЧ-диапазоне обеспечивается многослойным покрытием, состоящим из композиции с наполнителями: карбонильного железа, дискретных углеродных волокон и порошкообразного феррита в соотношении 2:1:3. Регулирование уровня поглощения электромагнитного сигнала осуществляется соотношением компонентов в композиции и сочетанием различных видов наполнителей в покрытии.
Практическая значимость
-
Разработаны составы корундовой бронекерамики на основе глинозема фирмы Almatis с содержанием -А1203 более 99,0 мас.%, модифицированной эвтектическими и комплексными добавками, с температурой спекания материала 1550-1650 С.
-
Разработана технология, обеспечивающая получение модифицированной корундовой бронекерамики с высоким уровнем физико-механических свойств и бронестойкостью (плотность не менее -3,8 г/см3, прочность при изгибе не менее 280 МПа, модуль упругости не менее 300ГПа, вязкость разрушения -трещиностойкость не менее 3,5МПа*мш).
-
Разработана базовая технология получения бронеэлементов различной конструкции (более 30 видов) из корундовой керамики, модифицированной эвтектической добавкой магний-алюмосиликатного состава и оксидом иттрия.
-
Предложено в качестве эффективных поглотителей электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне использовать промышленные марки марганец-цинковых (марки 3000НМС, 2500НМС, 6000НМ1), никель-цинковых (марка 600НН) ферритов и ряд экспериментальных составов феррита бария, барий-цинкового и литиевого ферритов.
-
Предложены технологические приемы закрепления ферритовых поглотителей на бронеэлементах с применением эпоксидного клея, полиуретана и легкоплавких эвтектических смесей на основе стеклообразующего оксида бора.
-
Разработанные составы корундовой керамики и технологии прошли апробацию в опытно-промышленных условиях и внедрены в серийное производство ЗАО «НЭВЗ-КЕРАМИКС» (г. Новосибирск).
Апробация работы
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и симпозиумах всероссийского и международного уровней: II, III, IV Международная cпециализированная конференция и выставка КерамСиб «Современные керамические материалы. Свойства. Технологии. Применение», (г. Новосибирск, 2010-2011г.; г.Москва, 2012г.); XII Международная научно-практическая конференция «Новейшие тенденции в области конструирования и применения баллистических материалов и средств защиты», (Москва, 2012 г.); XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ( Томск, 2012г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Качество и инновации -основа современных технологий», (г.Новосибирск, 2012г.); ХХVI научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике», (г. Новосибирск, 2013г.); научно-техническая конференция «Электронные и электромеханические системы и устройства» (г.Томск, 2013г.).
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 152 наименований и 4 приложений. Работа изложена на 174 страницах, содержит 46 таблиц и 62 рисунка.
Публикации по работе
По материалам диссертации опубликовано 19 работ в сборниках тезисов и докладов, трудах и материалах Всероссийских и Международных конференциях, в том числе 2 статьи в специализированных научных журналах, рекомендованных ВАК, получено 4 патента.
Конструкционные особенности бронеэлементов и баллистическая стойкость бронекерамики
Исследования [7] свидетельствуют о том, что моделирование конструкций броневой защиты, включающей слои из разных материалов, позволяет изменить конструкцию броневого модуля в зависимости от ожидаемой угрозы поражения. Экспериментами доказано, что в подвижных боевых машинах, самолетах и вертолетах применение броневой защиты должно неуклонно возрастать на 5—7 % в год. В связи с этим возрастает интерес к созданию соответствующих защитных элементов, качество которых определяется поверхностной плотностью (массой одного квадратного метра) — чем меньше эта масса, тем лучше. В бронежилетах керамика используется в виде бронеэлементов стандартизованной величины и конфигурации. Как правило — это прямоугольные или более сложной формы пластины размером 2025 или 2530 см) одинарной, двойной или даже тройной кривизны для большей адаптации к антропологии тела человека. В этих бронепанелях используется либо корундовая керамика, либо керамика на основе SiC или B4C на подложках из арамидов или высокомодульного полиэтилена.
Фирмы ARES (Франция) и TenCate (Голландия-Франция) предлагают бронепанели с керамическими элементами дискретного типа, где элементы в виде цилиндриков диаметром 12–20 мм. помещаются в гибкую полимерную матрицу. Эта технология и сама броня получили название LIBA (LightImproved Ballistic Armor). Бронепанели, полученные по такой технологии, на 10–15% тяжелее традиционных, но обеспечивают живучесть на уровне 200–400 попаданий в квадратный метр. На рис. 1.1 представлен результат испытания такой панели в ОАО НИИ Стали (России). Панель испытывалась на соответствие 6а классу ГОСТ Р50744–95 (пуля Б32 к СВД с 5 м).
Бронепанель размером 250300 мм состоит из цилиндрических керамических (корунд) фрагментов диаметром 13 мм и высотой 11,5 мм, расположенных на подложке из высокомодульного полиэтилена толщиной 10 мм. Поверхностная плотность композиции составляла 46 кг/м2. Вес панели 3,4 кг. Панель выдержала 5 попаданий в площадь менее 150 кв. см.
Эффективность керамической брони по сравнению с металлической броней приведена в табл. 1.5. Как видно из табл. 1.5, сочетание корунда с алюминиевым сплавом 5083 АБТ-102 более чем в 2 раза эффективнее, чем катаная гомогенная стальная броня при обстреле бронебойными пулями. Сочетание керамических плиток с алюминиевой броней более эффективно и по массе, чем для стальной брони высокой твердости (HHS).
Зарубежные разработчики броневой противопульной защиты рассматривают керамическую броню как одну из перспективных и усиленно работают над ее совершенствованием в различных направлениях.
Сегодня просматриваются два пути повышения характеристик керамической брони — это оптимизация материала подложки и повышение прочностных свойств самой керамики. В последнее время к этим направлениям добавилось еще одно, связанное с решением проблемы соединения керамики с подложкой. Как оказалось, качество клеевого соединения значительно влияет не только на стойкость преграды, но в первую очередь, на ее живучесть.
Широким фронтом ведутся работы по повышению живучести керамических материалов. Кроме чисто конструктивных решений (пример — LIBA) исследуются и другие пути, в частности, повышение вязкости керамики можно за счет ее легирования. Наряду с задачами по повышению эксплуатационных свойств для всех броневых материалов, в том числе керамических, остро стоит задача снижения их стоимости за счет уменьшения энергозатрат при изготовлении.
Значительные перспективы по снижению стоимости броневых керамических материалов просматриваются в совершенствовании технологии прессования и спекания. Так вместо дорогостоящего процесса горячего прессования широко применяется технология реакционного спекания. 1.3 Сравнительная оценка химических составов корундовой бронекерамики отечественных производителей
С целью сравнения химических составов бронекерамики, производимой предприятием ЗАО «НЭВЗ-КЕРАМИКС» (г. Новосибирск) и фирмы "АЛОКС" (г. Санкт-Петербург) были проведены исследования их составов и свойств. Методом волнового рентгенофлуоресцентного анализа был определен химический состав разных изготовителей. В табл. 1.6 приведены результаты анализов, из которых следует, что бронекерамика фирмы «АЛОКС» модифицирована оксидами марганца, кремния, титана и магния, а керамика ЗАО «НЭВЗ-КЕРАМИКС» — оксидами кремния и магния. Некоторое наличие в составах керамики оксидов щелочных элементов (Na, K), железа и кальция, надо полагать, связано с примесями, входящими в основной компонент шихты глинозема.
Бронеплитка «АЛОКС» превосходит броневые изделия ЗАО «НЭВЗ-КЕРАМИКС» по плотности, механической твёрдости, трещиностойкости, но уступают по прочности на изгиб. Кроме элементного состава, большое влияние на свойства бронематериала оказывает микроструктура керамики: размер и форма кристаллитов, наличие микропор, трещин, дефектов.
Для керамических материалов характерна высокая чувствительность прочности к различным концентраторам напряжений, присутствующим в структуре, таким как микротрещины по границам зерен, поры и инородные включения. Следовательно, комплекс свойств керамических материалов определяется их структурными характеристиками, морфологией и размерным распределением зерен побочных фаз, наличием и характером распределения дефектов решетки и примесных атомов.
Реальные керамические материалы, как правило, являются многофазными, т.к. для их изготовления в большинстве случаев применяют сырье технической чистоты, содержащее некоторое количество примесей. Кристаллическая фаза в керамике практически всегда имеет дефектную структуру, обусловленную образованием микротрещин, дислокаций, внедрением в кристаллическую решетку примесных ионов. Содержащиеся в керамике поры, зачастую внутрикристаллические, также способствуют снижению прочности материала. Одним из важнейших факторов, влияющих на свойства керамических материалов, является размер и форма кристаллов. Известно, что прочность керамики повышается с уменьшением размера зерна. В керамических материалах, также как и в металлах, при определенных температурно-временных условиях протекает собирательная рекристаллизация, приводящая к значительному росту зерен, что для бронестойкой керамики является крайне нежелательным. Поэтому основной проблемой, которую решают все разработчики броневых керамических материалов, является проблема минимизации перечисленных негативных факторов. Эта проблема решается за счет обеспечения высокого качества исходного сырья, применения модифицирующих добавок и выбора соответствующей технологии формования изделий и режимов спекания.
Основными механическими характеристиками, используемыми для оценки бронекерамики, как было указано выше, являются плотность, твердость, прочность, вязкость разрушения и т. д. [1–3] В табл. 1.7 приведена связь микроструктуры и свойств материала в обеспечении его бронестойкости.
В соответствии с концепцией, предложенной авторами [2, 3, 7, 8], для достижения высоких механических характеристик керамики необходимо руководствоваться следующими принципами: прочность обеспечивается мелкозернистой структурой и прочной связью по границам зерен; требуемая трещиностойкость может быть достигнута за счет дисперсных, вязких или метастабильных хрупких фаз, а также армированием нитевидными волокнами кристаллов структуры.
Исходные компоненты, используемые для получения корундовой керамики и ферритовых поглотителей ЭМИ
Модифицирующих добавок при разработке составов корундовой броневой керамики с пониженной температурой спекания, а в табл. 2.2 представлены исходные компоненты для приготовления ферритов разных составов.
Эпоксидные смолы относятся к классу термореактивных пластиков и сходны с такими материалами как фенолы и полиэфиры. Эпоксидные смолы выпускаются в жидком и твердом состоянии. Они термопластичны, но под влиянием различных отвердителей превращаются в неплавкие полимеры, которые находят широкое применение в промышленности как материал для склейки, герметизации и пр. Процесс отверждения этих смол может происходить в широком температурном интервале от нормальной комнатной температуры до 65 С.
Отвердители, применяемые с эпоксидной смолой при комнатной температуре, в большинстве своем полиамины. Реакция отверждения эпоксидных смол экзотермическая. Скорость, с которой смола отверждается, зависит от температуры смеси. При нормальной температуре смола достигает от 60 до 80% окончательной прочности спустя 24 часа. Можно считать, что смолы, полимеризующиеся при комнатной температуре, окончательно отверждаются спустя 72 часа при 20С.
Отвержденные смолы обладают: высокой механической прочностью, ударопрочностью, износостойкостью, абразивной стойкостью при низких температурах, твердостью, малой усадкой при отверждении, размерной стабильностью, отсутствием летучих продуктов отверждения, теплостойкостью, свойствами теплозащиты, антифрикционными свойствами, радиопрозрачностью, высокими диэлектрическими показателями, высокой адгезией к металлам, стеклу, керамике и другим материалам, химической стойкостью против кислот, щелочей, воды, бензина и других органических растворители (растворяются ацетоном), атмосферостойкостью.
При исследовании радиопоглощающих материалов нами в качестве полимерного связующего была использована эпоксидная смола марки ЭД-20, высшего сорта, производства завода имени Я.М.Свердлова (г. Дзержинск). Эпоксидная смола ЭД-20 (ГОСТ 10587-84) представляет собой прозрачную вязкую мёдоподобная жидкость желтоватого цвета без видимых механических включений (табл. 2.4). Массовая доля эпоксидных групп — 19,9–22,0%.
Для её отверждения требуется отвердитель марки ПЭПА
(полиэтиленполиамин). Его требуется от 5 до 30 % от массы смолы в зависимости от вида работ. В данной работе в качестве отвердителя смолы ЭД-20 применялся полиэтиленполиамин (ПЭПА) производства завода «Уралхимпласт» (г. Нижний Тагил). Отвердитель ПЭПА — жидкость от светло-желтого до темно-бурого цвета без механических включений, допускается зеленоватая окраска продукта. Ниже приведены некоторые свойства отвержденной эпоксидной смолы ЭД-20 и отвердителя ПЭПА (табл. 2.5).По прочностным показателям продукты отверждения эпоксидных смол превосходят применяемые в промышленности материалы на основе других синтетических смол. Так, прочность при растяжении может достигать 140 МПа, при сжатии — 40 МПа, при изгибе — 220 МПа; модуль упругости 50 ГПа.
Полиуретан — это уникальный синтетический полимерный материал [134, 135]. Он состоит главным образом из двух типов сырья: изоцианата и полиола, которые получают из сырой нефти. Полиуретановые эластомеры представляют собой каучукоподобные материалы, которые имеют большую прочность и эластичность, они малоистераемы и устойчивы к деформации, не теряют своих свойств в пределах температур от –60 до +80С, имеют длительный срок службы. Полиуретан обладает высокой стойкостью к воздействию кислот, масел и бензина. Полиуретаны могут быть вязкими жидкостями или являться твёрдыми веществами в аморфном или кристаллическом состоянии. Их свойства варьируются от высокоэластичных мягких резин до жестких пластиков.
Основные преимущества полиуретана: высокая эластичность; высокая износостойкость; высокие параметры на разрыв; высокие диэлектрические свойства; высокая стойкость к динамическим нагрузкам и ко всем атмосферным факторам (стойкость к воздействию озона, ультрафиолетовых лучей, морской водой и тумана); высокая адгезионная способность к материалам различной природы (керамика, металл и др.).
Наиболее распространенными типами полиуретана в настоящее время являются полиуретаны СКУ-ПФЛ-100 и НИЦ ПУ-5, имеющие по отношению к другим видам более высокие физико-механические характеристики и твердость по Шору А 85–90 единиц.
Исследование влияния качества исходного сырья на температуру спекания и свойства корундовойбронекерамики
Дисперсность, фазовый и химический состав сырья в большой степени влияет на температуру спекания и свойства керамики.
В данной работе исследовался прокаленный порошок оксида алюминия разных марок: глинозём фирмы Almatis марки СТ 800 FG; глинозём фирмы Almatis марки СТ 1200 SG; глинозём Бокситогорского комбината марки ГН. Описание эксперимента
1. Приготовление суспензии
Образцы подготавливались в лабораторных условиях. Исходный порошок - глинозём, вода, разжижитель и мелющие тела (соотношение М: Ш: В=1:3:1) загружались в фарфоровый барабан, который вращался на валках с частотой вращения 70 об/мин. Частота вращения подбиралась расчетным методом: пр = Щ=68,9 об/мин, где D — внутренний диаметр барабана.
Барабан с суспензией вращался на валках в течение 12 часов, затем вводилась добавка, включающая СТК и соль магния. Суспензия с добавками вращалась еще 12 часов, после чего вводилась органическая составляющая. После введения органической составляющей барабан вращался на валках 2 часа. Затем приготавливался гранулят.
Вариант 1. С целью приготовления гранулята была опробована лабораторная распылительная сушилка BCHIB-290. Размер гранул изменялся в диапазоне от 2 до 30 мкм при варьировании скорости подачи суспензии, влажности суспензии, температуры на входе и на выходе. Данный гранулят прессовался плохо, не позволил достигнуть необходимой плотности сырой заготовки.
Вариант 2. Из приготовленной суспензии удаляли влагу путем нагрева на индукционной плите, полученную массу протирали через сито (ячейка 1 мм), затем подсушивали до необходимой влажности. Средний размер гранул составлял 280 мкм. Сырая плотность образцов была достигнута 2,6 г/см3 (Рпрессов=100 МПа). В ходе исследований гранулят подготавливался таким способом.
Описанным способом были приготовлены три гранулята следующих составов:
Состав 1: глинозём AlmatisCT 800 FG +Базовая добавка (СТК) Состав 2: глинозём AlmatisCT 1200 SG + Базовая добавка (СТК) Состав 3: глинозём Бокситогорского комбината марки ГН+ Базовая добавка (СТК) 3. Изготовление образцов
Кривая обжига в печи: Wistra-III. Образцы, представляющие собой балки 45,2х5,5х5,5 мм (в необожжённом состоянии), прессовались на лабораторном одноосном гидравлическом прессе при Рпрессов=100 МПа. Плотность сырой заготовки составляла 2,6 г/см3. Образцы обжигались в производственных печах Wistra-I (колпаковая) (1750C) и Wistra-III(туннельная) (1670C) согласно режимам (рис. 3.3;3.4).
Как видно из табл. 3.3, рис. 3.5 и рис. 3.6 способ приготовления гранулята значительно влияет на свойства керамики. На рис. 3.5 а), б) представлены микрофографии, (оптический микроскоп) гранулята, из которого видно, что гранулят, приготовленный на распылительной сушилке, имеет более сферическую форму, в то время как частицы гранулята, приготовленного в лабораторных условиях протиранием массы через сито, неправильной формы.
Этот факт объясняет явное различие в свойствах керамики: частицы близкие по своей форме к шару обеспечивают более плотную упаковку еще на стадии формования и при последующем спекании (рис. 3.5 в, г).
Кроме того, исходя из табл. 3.3 и рис. 3.5, 3.6, можно сделать вывод о влиянии исходного сырья, в частности марки глинозема, на свойства керамики. При увеличении дисперсности исходного глинозема от 3,2 мкм Almatis CT 800 FG до 1,3 мкм AlmatisCT 1200 SG (при переходе от состава 1 к составу 2) увеличивается степень уплотнения обожженных образцов, а также увеличиваются прочностные характеристики. Образцы состава 1 (фирма Almatis) и состава 3 (Бокситогорский комбинат) имеют примерно одинаковые параметры.
Технологические и конструкционные аспекты получения радио-поглощающих защитных покрытий на основе полимерных связующих
Являются эффективными поглотителями ЭМИ, но наряду с ними к востребованным наполнителям РПМ следует отнести также карбонильное железо, технический углерод (графит или сажа), углеродные волокна и др. Поэтому целесообразно было изучить их поглощательную способность в частотном диапазоне СВЧ-излучения. При этом в качестве связующей матрицы радиопоглощающего покрытия следовало использовать полимерное вещество — эпоксидную смолу, обладающую важным комплексом технологических и эксплуатационных свойств (см. Главу 2). Эпоксидная смола в данном случае могла выполнить две функциональных задачи: первая — создание монолитного радиопоглощающего покрытия с тем или иным набором наполнителей; вторая — обеспечить надежное адгезионное взаимодействие радиопоглощающего покрытия с броневой керамикой или с металлической основой защищаемого объекта. Способ нанесения радиопоглощающего покрытия на керамическую броню при значительных её площадях с помощью полимерного связующего, по нашему мнению, в настоящее время является наиболее рациональным и экономически выгодным, поскольку основные технологические операции процесса могут быть достаточно просто реализованы и быть воспроизводимыми. Следует отметить, что прием температурного закрепления монолитных радиопоглощающих ферритовых элементов в виде пластин, дисков и т.п. на корундовой бронекерамике с применением промежуточного слоя легкоплавких эвтектических смесей на основе стеклообразующего оксида бора (см. п. 4.6) безусловно имеет научный и технический интерес применительно к объектам повышенного уровня защиты и требует проведения самостоятельного исследования по разработке технологии соединения разнородных керамических материалов.
В табл. 4.9 и на рис. 4.10 приведены результаты измерения поглощающих свойств разных по физико-химической природе поглотителей ЭМИ с применением в качестве связующей матрицы — эпоксидной смолы ЭД-20.
В частности из рис. 4.10, на котором представлены результаты измерения коэффициента отражения ферритовых панелей, состоящих из композиции -эпоксидной смолы и марганец-цинкового феррита марки 3000 НМС с содержанием поглотителя 2.5, 5.0, 10 мас. %, следует, что образец из эпоксидной смолы имеет максимальный коэффициент отражения (0,9). Образцы с ферритовым наполнителем разного содержания, имеют значительно меньший коэффициент отражения, который колеблется в пределах 0,15-0,35 в диапазоне частот от 8–18 ГГц. Содержание ферритового наполнителя в образцах от 2,5–10,0 мас. %, не оказывает существенного влияния на коэффициент отражения электромагнитного излучения.
В целом, выполненные исследования (табл. 4.9) показали следующее:
1. Полимерные связующие (эпоксидная смола, полиуретан) практически не являются радиопоглощающими материалами. Коэффициенты отражения (КО) не превышают значения более — 2,3 дБ, что соответствует более 70% отраженной энергии.
2. Наполнитель РПМ в виде карбонильного железа (КЖ) марки Р10, используемый индивидуально с применением связующего — эпоксидной смолы ЭП-20 при соотношении ЭП:КЖ как 1:2, проявляет заметный уровень поглощения ЭМИ в исследуемом диапазоне длин волн. Коэффициент отражения в частотном диапазоне колеблется от -4,9 до -10,7 дБ. Изменение соотношения ЭП:КЖ как 1:1 и 1:3 мало отражается на поглощательной способности покрытия: коэффициенты отражения находятся в пределах от -2,0 до -11,7 дБ.
3. Не велика поглощательная способность индивидуально дискретных углеродных волокон. При соотношении ЭП:ДУВ как 1:2 коэффициенты отражения находятся в пределах от -1,2 до -3,8 дБ в диапазоне частот 8-18 ГГц. При 100% содержании ДУВ в покрытии КО не превышает значения -4,4 дБ на частоте 12 ГГц.
4. Технический углерод (сажа), как наполнитель, индивидуально с применением ЭП-20 в качестве связующего (при соотношении ЭП:сажа как 1:2) проявляет заметную поглощающую способность на частоте 1518 ГГц, коэффициент отражения составляет -7,1–3,5дБ.
5. Применение композиционного состава наполнителя, состоящего из карбонильного железа и технического углерода при соотношениях ЭП:КЖ:сажа как 1:2:2 и 1:1:3, не изменяет существенно качественную картину частотной зависимости поглощения по сравнению с индивидуальным наполнителем в виде карбонильного железа.
6. Определенный эффект в поглощении ЭМИ достигается в случае композитного наполнителя, состоящего из КЖ и ДУВ. При соотношении ЭП:КЖ:ДУВ как 1:2,5:1 коэффициенты отражения в исследуемом диапазоне частот от 8 до 18 ГГц имеют значения от -8,0 до -13,0 дБ.
7. Для широкого спектра ферритовых поглотителей в исследуемом диапазоне длин волн выявлены следующие зависимости поглощательной способности:
Гексагональные ферриты (бариевый, барий-цинковый и барий-магниевый) обладают достаточно высоким уровнем поглощения, при этом эффективность поглощения сдвинута в область высоких частот (12-18 ГГц). Коэффициенты отражения могут достигать значений -10,0–16,8 дБ.
Шпинельные ферриты в зависимости от состава (марки) значительно отличаются по поглощательной способности друг от друга, но характерным для большинства ферритов этой структурной группы как однофазного состава (никелевый, висмутовый, литиевый), так и в виде твердых растворов (Ni-Zn, Mn-Zn-ферриты) является высокая поглощательная способность (КО составляют от -10 до -22 дБ), при этом наибольшее поглощение для Mn-Zn-ферритов проявляется в частотном диапазоне 12-16ГГц, а для Ni-Zn-ферритов максимумы поглощения могут проявляться как в этом диапазоне, так и в низкочастотной области (8-10ГГц). Следует отметить, что алюмоферриты и Ni-Zn-ферриты с добавкой Al2O3 характеризуются низким уровнем поглощения ЭМИ.
8. Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных для обеспечения широкополосного поглощения ЭМИ в СВЧ области необходимо использовать композиционные наполнители, состоящие из сочетания магнитных поглотителей (карбонильного железа и феррита) и дискретных углеродных волокон, при этом следует исходить из индивидуальных особенностей поглощения каждого компонента композита. Выбор того или иного поглотителя ЭМИ должен осуществляться также с учетом технологических возможностей его получения и приемов введения в композиционное покрытие.
