RU2753760C1

RU2753760C1 - ”vulkan-m” material for external thermal protection of an aircraft

Info

Publication number: RU2753760C1
Application number: RU2020140751A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Дмитриевич Коньков; Сергей Анатольевич Глазырин; Станислав Анатольевич Койтов; Фарид Хабибуллович Абдрахманов; Владимир Николаевич Мельников
Original assignee: Акционерное общество "Опытное конструкторское бюро "Новатор"
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2021-08-23

Abstract

FIELD: aircraft engineering.

SUBSTANCE: invention relates to heat-protective coatings based on alkali metal silicates and is intended for use in the aviation and space fields. The material “Vulkan-M” for the external thermal protection of the aircraft is proposed, it includes a binder, a filler with hollow microspheres, organic additives removed during heat treatment, where ethyl silicate is contained as a binder, caustic potassium liquid glass, colloidal binder: silica; vacuum aluminosilicate microspheres, kaolin and bentonite clays, mullitosilicate fiber, microsilica are used as the filler; and removed organic additives are sodium tripolyphosphate as an adhesion promoter; plasticizer: polyethylene glycol; diluent of the mass: polymethylene naphthalene sulfate; a moisture-retaining additive: polyalkyl acetate at the following ratio of components (wt. %): ethyl silicate (1-2), colloidal binder: silica (23-26), liquid caustic potassium glass (45-50), vacuum aluminosilicate microspheres (4-5), kaolin and bentonite clays (15-20), mullitosilicon fiber (2-3), microsilica (0.5-1.5), sodium tripolyphosphate as an adhesion promoter (0.5 - 1.5), plasticizer-polyethylene glycol (0.2-0.4), mass diluent - polymethylene naphthalene sulfonate (0,4-0,8), a moisture-retaining additive-polyalkyl acetate (0,1). The material can be used to protect the outer surfaces of high-speed aircraft at high operating temperatures.

EFFECT: proposed material has increased durability, operating temperature up to 1200°С and a low coefficient of thermal linear expansion.

1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к теплозащитным покрытиям, а именно к теплоизоляционным материалам на основе силикатов щелочных металлов и предназначено для использования в авиационной и космической областях. Данный материал может использоваться для защиты наружных поверхностей высокоскоростных летательных аппаратов при высоких температурах эксплуатации.The invention relates to heat-protective coatings, in particular to heat-insulating materials based on alkali metal silicates and is intended for use in the aviation and space fields. This material can be used to protect the outer surfaces of high-speed aircraft at high operating temperatures.

Из патента RU №2631302 «Теплозащитное покрытие», дата приоритета 18.02.2015, опубликовано 10.09.2016 Бюл. №25, известно покрытие, содержащее полимер «Стиросил» марки А, микросферы стеклянные марки МС-ВП-А9 группы 2÷3, слюду молотую СМФ-125, подслой П-11. Известное покрытие обладает высокими прочностными, эластичными и эрозионными свойствами. Однако оно не может обеспечить высокие показатели по защите корпуса высокоскоростного летательного аппарата от воздействия тепловой энергии, возникающей от трения набегающего потока воздуха, до требуемых значений рабочей температуры 1200°С, так как вяжущее известного покрытия «Стиросил» марки А имеет органическую основу, и максимальная температура применения не превышает 350°С.From patent RU No. 2631302 "Heat-shielding coating", priority date 02/18/2015, published 09/10/2016 Bull. No. 25, a coating containing Stirosil grade A polymer, glass microspheres of grade MS-VP-A9 of group 2 ÷ 3, ground mica SMF-125, sublayer P-11 is known. The known coating has high strength, elasticity and erosion properties. However, it cannot provide high performance in protecting the hull of a high-speed aircraft from the effects of thermal energy arising from the friction of the incoming air flow up to the required operating temperature of 1200 ° C, since the binder of the well-known Stirosil grade A coating has an organic basis, and the maximum application temperature does not exceed 350 ° C.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является покрытие марки «Термосил» (ТУ2257-509-56897835-2011), предназначенное для тепловой защиты изделий специальной техники. Принимаем его в качестве прототипа.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed invention is a coating of the "Thermosil" brand (TU2257-509-56897835-2011), intended for thermal protection of special equipment items. We accept it as a prototype.

Прототип включает:The prototype includes:

- силоксановый блоксополимер «Лестосил», ТУ 38.03.1.006-67 - 42 м.ч.- siloxane block copolymer "Lestosil", TU 38.03.1.006-67 - 42 ppm.

- микросферы стеклянные полые марки МС-ВП-А9, ТУ 6-48-91 - 26,29 м.ч.- hollow glass microspheres, MS-VP-A9, TU 6-48-91 - 26.29 pph.

- отвердитель - продукт МСН-7-80, ТУ 6-02-991 - 6,29 м.ч.- hardener - product MSN-7-80, TU 6-02-991 - 6.29 pph.

- растворитель толуол, ГОСТ5789 или ГОСТ 14710- 175,71 м.ч.- the solvent is toluene, GOST5789 or GOST 14710 - 175.71 ppm.

Покрытие «Термосил» наносят методом пневматического послойного напыления. Сушку и отвердение покрытия осуществляют на воздухе при температуре 15-35°С или в сушильной камере при температуре 70-80°С. Покрытие обладает достаточными теплоизоляционными свойствами при рабочей температуре 260°С с низким коэффициентом теплопроводности.The "Thermosil" coating is applied by pneumatic layer-by-layer spraying. Drying and hardening of the coating is carried out in air at a temperature of 15-35 ° C or in a drying chamber at a temperature of 70-80 ° C. The coating has sufficient thermal insulation properties at an operating temperature of 260 ° C with a low coefficient of thermal conductivity.

Основным недостатком покрытия «Термосил» является сравнительно низкая температура начала интенсивного разложения в воздушной среде при температуре 350°С.Что в свою очередь приводит к разрушению материала и потере теплоизоляционных свойств и, соответственно, не способствует обеспечению эффективной защиты от воздействия температуры в диапазоне 350-1200°С.The main disadvantage of the "Thermosil" coating is the relatively low temperature of the beginning of intensive decomposition in the air at a temperature of 350 ° C. This, in turn, leads to material destruction and loss of thermal insulation properties and, accordingly, does not contribute to effective protection against exposure to temperatures in the range of 350- 1200 ° C.

Таким образом, описанное покрытие «Термосил» не обладает достаточными теплозащитными свойствами, которые необходимы для защиты корпуса высокоскоростного летательного аппарата при температурах выше 350 °С. Кроме того, данное покрытие имеет относительно высокий коэффициент термического линейного расширения (ТКЛР), что отрицательно сказывается на снижении прочностных и теплозащитных свойств, и приводит к преждевременному старению в период хранения для резко континентальных климатических условий диапазона температур от -50 до+50°С.Thus, the described "Thermosil" coating does not possess sufficient heat-shielding properties, which are necessary to protect the body of a high-speed aircraft at temperatures above 350 ° C. In addition, this coating has a relatively high coefficient of thermal linear expansion (TCLE), which negatively affects the decrease in strength and heat-shielding properties, and leads to premature aging during storage for sharply continental climatic conditions in the temperature range from -50 to + 50 ° C.

Технической задачей заявляемого изобретения является создание теплозащитного материала повышенной стойкости с рабочей температурой 1200°С и низким коэффициентом термического линейного расширения.The technical objective of the claimed invention is to create a heat-shielding material of increased durability with an operating temperature of 1200 ° C and a low coefficient of thermal linear expansion.

Технический результат, направленный на решение указанной задачи, заключается в применении современных вяжущих, неорганического происхождения, и применение незначительного количества микрокремнезема, влияющие на высокие показатели по температуре использования, а также значительному повышению трещинностойкости при сушке и дальнейшем, длительном хранении изделия с готовым покрытием.The technical result, aimed at solving this problem, consists in the use of modern binders, of inorganic origin, and the use of a small amount of microsilica, affecting high performance in terms of temperature of use, as well as a significant increase in crack resistance during drying and further, long-term storage of products with a finished coating.

Поставленная задача достигается тем, что теплозащитный материал состоит из неорганического связующего, а именно этилсиликата 1-2 мас. %, коллоидного вяжущего на основе кремнезоля 23-26 мас. %, стекла жидкого каустического калиевого 45-50 мас. %, в качестве наполнителя используют вакуумные алюмосиликатные микросферы 4-5 мас. %, каолиновые и бентонитовые глины 15-20%, муллитокремнеземистое волокно 2-3 мас. %, микрокремнезем 0,5-1,5 мас. %, а также присутствуют удаляемые органические добавки, а именно триполифосфат натрия в качестве промотора адгезии 0,5-1,5 мас. %, пластификатор на основе полиэтиленгликоля 0,2-0,4 мас. %, разжижитель массы на основе полиметиленнафталинсульфоната 0,4-0,8 мас. %, влагоудерживающая добавка на основе полиалкилацетата 0,1-0,5 мас. %.The task is achieved by the fact that the heat-shielding material consists of an inorganic binder, namely ethyl silicate 1-2 wt. %, colloidal binder based on silica ash 23-26 wt. %, glass of liquid caustic potassium 45-50 wt. %, vacuum aluminosilicate microspheres of 4-5 wt. %, kaolin and bentonite clays 15-20%, mullite-silica fiber 2-3 wt. %, microsilica 0.5-1.5 wt. %, and there are also removable organic additives, namely sodium tripolyphosphate as an adhesion promoter 0.5-1.5 wt. %, plasticizer based on polyethylene glycol 0.2-0.4 wt. %, mass thinner based on polymethylene naphthalenesulfonate 0.4-0.8 wt. %, water-retaining additive based on polyalkyl acetate 0.1-0.5 wt. %.

Заявляемый материал «Вулкан-М» наносится на поверхность корпусов летательных аппаратов методом таркретирования (воздушно-капельного напыления), с последующей термической обработкой, режим которой с учетом состава материала позволяет оптимизировать соотношение массовых, физико-механических и теплофизических свойств покрытия в зависимости от интенсивности и длительности высокотемпературного динамического воздействия набегающего потока воздуха в процессе полета высокоскоростного летательного аппарата. Таркретирование производится текстурным пистолетом, с рабочим давлением сжатого воздуха 1,5-1,7 кгс/см²и соплом №6. Материал «Вулкан-М» наносится слоями δ=1-1,2 мм. Сушка и последующая термообработка каждого слоя осуществляется двумя этапами: первым этапом проводится естественная сушка при комнатной температуре 20±2°С и относительной влажности до 75% в течение суток, вторым этапом проводят термообработку при температуре 70°С и скоростью подъема не более 0,3°С в минуту в течение 24 часов в специализированном сушиле с электроподогревом и принудительной рециркуляцией воздуха для усреднения температуры во всем объеме.The inventive material "Vulcan-M" is applied to the surface of aircraft bodies by the method of tarkretirovanie (airborne spraying), followed by heat treatment, the mode of which, taking into account the composition of the material, allows you to optimize the ratio of mass, physical-mechanical and thermophysical properties of the coating, depending on the intensity and the duration of the high-temperature dynamic action of the incoming air flow during the flight of a high-speed aircraft. Tarcreting is carried out with a texture pistol with a working pressure of compressed air of 1.5-1.7 kgf / cm ² and a nozzle No. 6. The Vulcan-M material is applied in layers of δ = 1-1.2 mm. Drying and subsequent heat treatment of each layer is carried out in two stages: the first stage is natural drying at room temperature 20 ± 2 ° C and relative humidity up to 75% during the day, the second stage is heat treatment at a temperature of 70 ° C and a rise rate of no more than 0.3 ° С per minute for 24 hours in a specialized dryer with electric heating and forced air recirculation to average the temperature throughout the volume.

При термообработке при 70°С растворы кремниевых кислот (ортокремниевой, метакремниевой и т.д.), находящиеся в составе коллоидного вяжущего на основе кремнезоля, входящего в состав материала «Вулкан-М» образуют коллоидные частицы или мицеллы, которые реагируют и притягивают частицы наполнителя образовывая твердую матрицу с силаксановой связкой. Микрокремнезем участвует в образовании матрицы, за счет большой удельной поверхности, тем самым предотвращая образование микротрещин и раскрытием их в дальнейшем при длительном хранении изделий с готовым покрытием.During heat treatment at 70 ° C, solutions of silicic acids (orthosilicic, metasilicic, etc.) contained in the colloidal binder based on silica ash, which is part of the Vulcan-M material, form colloidal particles or micelles that react and attract filler particles forming a solid matrix with a silaxane bond. Microsilica participates in the formation of the matrix, due to the large specific surface area, thereby preventing the formation of microcracks and their further disclosure during long-term storage of products with the finished coating.

Испытания заявляемого материала проводились с использованием оборудования исследовательской противопожарной лаборатории с имитацией условий максимально приближенных к температурным и механическим нагрузкам, возникающим в процессе движения высокоскоростного летательного аппарата в плотных слоях атмосферы.Tests of the claimed material were carried out using the equipment of a research fire-fighting laboratory with imitation of conditions as close as possible to the temperature and mechanical loads arising during the movement of a high-speed aircraft in dense layers of the atmosphere.

В испытаниях использовался следующий состав материала:The tests used the following material composition:

- этилсиликат 1 мас. %,- ethyl silicate 1 wt. %,

- коллоидное вяжущее кремнезоль 25 мас. %,- colloidal astringent silica sol 25 wt. %,

- стекло жидкое каустическое калиевое 48 мас. %,- liquid caustic potassium glass 48 wt. %,

- вакуумные алюмосиликатные микросферы 5 мас. %,- vacuum aluminosilicate microspheres 5 wt. %,

- каолиновые и бентонитовые глины 17 мас. %,- kaolin and bentonite clays 17 wt. %,

- муллитокремнеземистое волокно 2 мас. %,- mullite-silica fiber 2 wt. %,

- микрокремнезем 0,5 мас. %,- microsilica 0.5 wt. %,

- триполифосфат натрия в качестве промотора адгезии 0,5 мас. %,- sodium tripolyphosphate as an adhesion promoter 0.5 wt. %,

- пластификатор полиэтиленгликоль 0,3 мас. %,- plasticizer polyethylene glycol 0.3 wt. %,

- разжижитель массы полиметиленнафталинсульфонат 0,6 мас. %,- mass thinner polymethylene naphthalenesulfonate 0.6 wt. %,

- влагоудерживающая добавка полиалкилацетат 0,1 мас. %.- water-retaining additive polyalkyl acetate 0.1 wt. %.

Теплофизические характеристики и результаты испытаний заявляемого материала в сравнении с прототипом приведены в таблице.Thermophysical characteristics and test results of the proposed material in comparison with the prototype are shown in the table.

Нагрев поверхностного слоя теплозащитного материала происходит от трения с набегающим потоком воздуха до температуры 1200°С. При этом поверхностный слой при достижении температуры 400°С переходит от силоксановой к силанольной связке, а при достижении температуры 700°С - к керамической, сохраняя свои тугоплавкие и теплоизоляционные свойства. Температура начала деформации под нагрузкой 0,5 МПа материала «Вулкан-М» составляет 760°С. При этом частично начинает образовываться жидкая фаза расплава, но благодаря неорганической природе основных компонентов, время огнестойкости данного материала составляет в пределах 30 минут. При этом полностью сохраняются теплоизоляционные свойства материала.Heating of the surface layer of the heat-shielding material occurs from friction with the incoming air flow up to a temperature of 1200 ° C. In this case, the surface layer, upon reaching a temperature of 400 ° C, passes from a siloxane to a silanol bond, and upon reaching a temperature of 700 ° C, to a ceramic one, retaining its refractory and heat-insulating properties. The temperature of the beginning of deformation under a load of 0.5 MPa of the material "Vulkan-M" is 760 ° C. In this case, the liquid phase of the melt begins to form partially, but due to the inorganic nature of the main components, the fire resistance time of this material is within 30 minutes. At the same time, the thermal insulation properties of the material are fully preserved.

Таким образом, заявляемый «Материал «Вулкан-М» для наружной тепловой защиты летательного аппарата» обладает повышенной стойкостью с рабочей температурой 1200°С. Также, за счет низкого значения коэффициента термического линейного расширения и применения составляющих на неорганической основе, заявляемый материал стабилен при климатических перепадах температур в диапазоне от - 50°С до +50°С, что соответственно позволяет увеличить сроки хранения летательного аппарата до 27 лет без потери теплозащитных и прочностных характеристик.Thus, the claimed "Material" Vulcan-M "for external thermal protection of an aircraft" has increased durability with an operating temperature of 1200 ° C. Also, due to the low value of the coefficient of thermal linear expansion and the use of components on an inorganic basis, the claimed material is stable at climatic temperature drops in the range from -50 ° C to + 50 ° C, which accordingly allows to increase the storage period of the aircraft up to 27 years without loss heat-shielding and strength characteristics.

Поскольку в составе материала «Вулкан-М» отсутствуют легковоспламеняемые вещества и жидкости, его производство не требует, в отличие от прототипа, специально оборудованных мест, противопожарных мероприятий, не ограничивает перечень применяемого оборудования и не предъявляет дополнительные требования к квалификации персонала.Since the Vulcan-M material contains no flammable substances and liquids, its production does not require, unlike the prototype, specially equipped places, fire-fighting measures, does not limit the list of equipment used and does not impose additional requirements on the qualifications of personnel.

Таким образом заявляемое изобретение обладает промышленной применимостью, а все компоненты производятся на территории Российской Федерации.Thus, the claimed invention has industrial applicability, and all components are manufactured in the Russian Federation.

Claims

Material "Vulkan-M" for external thermal protection of an aircraft, including a binder, a filler with hollow microspheres, organic additives removed during heat treatment, characterized in that it contains ethyl silicate as a binder, caustic potassium liquid glass, a colloidal binder - silica ash, as a The filler uses vacuum aluminosilicate microspheres, kaolin and bentonite clays, mullite-silica fiber, microsilica, and the removed organic additives are sodium tripolyphosphate as an adhesion promoter, the plasticizer is polyethylene glycol, the mass thinner is polymethylene acetate naphthalene sulphate,% polymethylene acetylate hydrochloric acid,% polymethylene acetate naphthalene sulphide diluent;

ethyl silicate 1-2

colloidal astringent - silica sol 23-26

liquid caustic potassium glass 45-50

vacuum aluminosilicate microspheres 4-5

kaolin and bentonite clays 15-20

mullite-silica fiber 2-3

microsilica 0.5-1.5

sodium tripolyphosphate as an adhesion promoter 0.5-1.5

plasticizer - polyethylene glycol 0.2-0.4

mass thinner - polymethylene naphthalenesulfonate 0.4-0.8

water retention additive - polyalkyl acetate 0.1