Труды КНЦ (Технические науки вып.4/2023(14))

Так, в конструкции космического корабля «Буран» впервые были применены неметаллические материалы. Такая защита состояла из высокотемпературного особо чистого супертонкого (диаметром 1,5-2,0 мкм) кварцевого волокна, работоспособного при температурах до 1250 °С. Материал теплозащитных фрагментов (плиток) при этом должен быть максимально легким (волокнам в нем отводилось менее 10 % объема) [2]. Современные летательные аппараты претерпевают более высокие термические нагрузки, прогрев корпуса может превышать 2000 °С. Помимо этого возрастает и механическая нагрузка. Эти условия накладывают более высокие требования в том числе к материалу теплозащиты. Упрочнение таких материалов входит в круг задач современных разработчиков [1]. Для этих целей активно разрабатываются волокна на основе высокотемпературных оксидов, таких как диоксид циркония, оксид алюминия, алюмосиликатные волокна, муллитовое волокно. Наибольшей огнеупорностью в данном ряду обладает диоксид циркония. Однако синтез соединений на его основе осложняется тем, что диоксид циркония имеет три полиморфные модификации, причем превращения проходят обратимо. Поэтому для формирования определенной структуры соединений из ZrO 2 , необходима стабилизация, которая может осуществляться путем введения дополнительных оксидов иттрия, кальция и др. П рим ен ени е диок сида цир к они я д л я вы соко тем п ер ату рны х волокон Керамические материалы на основе диоксида циркония, стабилизированного различными оксидами (иттрия, кальция, магния, скандия и других металлов), привлекают в настоящее время к себе большой интерес из-за уникального сочетания высоких термомеханических, проводящих свойств, высокой температуры плавления (2780 °С). Диоксид циркония имеет природное свойство — наличие трех кристаллических модификаций — моноклинной (а), тетрагональной (Р) и кубической (у), которые при определенных температурах обратимо превращаются одна в другую. Существуют области метастабильных полиморфных модификаций, то есть существующих в термодинамически несвойственных условиях (температура, давление) [3]. Применяя полиморфные превращения для получения метастабильных фаз в наноструктурированных материалах на основе диоксида циркония, можно повышать стабильность физико-механических свойств в изделиях. Фазовый состав керамики на основе ZrO 2 , в свою очередь, определяется содержанием стабилизирующих оксидов (Y 2 O 3 , MgO, CaO, CeO 2 , Yb2O3, Sc2O3), которые добавляют к ZrO 2 для предотвращения объемных изменений и образования твердых растворов [4, 5], при этом кристаллическая решетка ZrO 2 приобретает прочные устойчивые связи, которые не могут быть разрушены при термообработке вплоть до температуры плавления [6]. Волокна из диоксида циркония достаточно широко распространены. Так, компания Union Carbide запатентовала способ получения волокна оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, получившего впоследствии название ZIRCAR. В настоящее время компания Z ircar Zirconia Inc. (США) использует этот метод, называемый Zircar Process, для производства волокон оксида циркония, а также текстильных изделий из них [6]. Среди высокотемпературных волокон известны также волокна из оксида алюминия. Приоритетом их использования является исключительная окислительная стойкость при температурах выше 1200 °С, химическая инертность по отношению к большинству материалов матриц, низкая удельная масса, а для волокон а-АЬО 3 — высокий модуль упругости. Разработкой волокнистых керамических материалов на основе волокон оксида алюминия занимаются многие фирмы ведущих стран мира, в первую очередь специализирующиеся в области автомобилестроения и авиационной техники, такие как ICI PLC (Imperial Chemical Industries, Великобритания), 3М (Minnesota Mining and Manufacturing Company, США) и др. [1]. Однако, в сравнении с диоксидом циркония, оксид алюминия имеет более низкую температуру плавления (2050 °С), что ограничивает его максимальную температуру эксплуатации. В ряде областей применения системы композитных материалов очень полезны благодаря своим свойствам, высокой прочности в сочетании с высокой вязкостью при высоких температурах [7]. Использование оксида алюминия в качестве добавки к диоксиду циркония способствует сдерживанию рекристаллизации при обжиге, что приводит к повышению механических характеристик материала без значительной потери термической стойкости. © Сенина М. О., Мартюхова Д. А., Попова Н. А., 2023 78 Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 4. С. 77-82. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 4. P. 77-82.