Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮгоЗападный государственный университет»

Кафедра нанотехнологии и инженерной физики

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

на соискание квалификации (степени) бакалавра техники и технологии_____

__________________________________________________________________

(техники и технологии, менеджмента, экономики, юриспруденции и т.д.)

«Исследование процессов наноструктурирования микропористой

(название темы)

теплозащитной смеси»

по направлению подготовки 210600.62 Нанотехнология

(код, наименование)

Автор работы _______________________________ С.С. Кошкин

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Группа НТ-91б

Руководитель работы _________________________ А. Н. Чаплыгин

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Нормоконтроль ______________________________ А. М. Стороженко (подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Работа допущена к защите

Заведующий кафедрой __________________________ П. А. Ряполов

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Оценка ___________________ Протокол ГЭК № ______ от____________

Председатель ГЭК______________________________ ____Л. В. Кожитов___

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

К урск 2013 г.

Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮгоЗападный государственный университет»

Кафедра нанотехнологии и инженерной физики

УТВЕРЖДАЮ: Зав. кафедрой ___________ П. А. Ряполов (подпись, инициалы, фамилия) «_____» ____________ 20___ г.

ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА

Студент Кошкин С.С. шифр 1469019 группа НТ-91б

(фамилия, инициалы)

1. Тема «Исследование процессов наноструктурирования микропористой теплозащитной смеси»

утверждена приказом по ЮЗГУ от «____» ___________ 20___ г. № _______

2. Срок представления работы к защите «_____» _____________ 20 _____ г.

3. Исходные данные: ________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

4. Содержание работы (по разделам):

4.1. Введение

4.2. Физико-химические свойства теплоизоляционных материалов

4.3. Методы термического анализа теплозащитных материалов и оборудование для изучения физико-химических свойств теплоизоляционных материалов

4.4. Экспериментальные результаты и их практическая реализация

4.5. Заключение

5. Перечень графического материала (если предусмотрено заданием):

не предусмотрено_______________________________________________

__________________________________________________________________

Руководитель работы _______________________ А.Н. Чаплыгин

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

Задание принял к исполнению ____________________ С.С. Кошкин

(подпись, дата) (инициалы, фамилия)

РЕФЕРАТ

Представленная выпускная квалификационная работа бакалавра содержит 64 страницы, 19 рисунков, 12 таблиц, 30 наименований использованных источников.

Ключевые слова: микропористая высокоэффективная теплозащита, композиционный материал, микропористая структура, коэффициент теплопроводности, наноструктурированные композиты, дифференциально-сканирующая калориметрия.

Объектом исследования в данной работе являлись микропористые высокоэффективные теплозащитные материалы.

Цель работы: разработка композиционных смесей с минимальным коэффициентом теплопроводности, изготовление прессованных деталей из композиционных смесей и изучение их технических характеристик.

Задачи работы: получить конструкционную деталь из микропористой высокоэффективной теплозащиты, определить коэффициент ее теплопроводности методом дифференциально-сканирующей калориметрии, провести сравнение полученного материала с материалами других производителей.

Результатом данной работы стала разработка нового теплозащитного материала, с высокими термо-физическими характеристиками, не имеющего аналогов в РФ. Из разработанного теплозащитного материала были изготовлены и испытаны с положительным результатом макетные образцы, для изделий ОКБ «Авиаавтоматика».

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ 6

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 7

ВВЕДЕНИЕ 8

1ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 9

1.1Характеристики теплоизоляционных материалов.  9

1.2 Теплопроводность при нестационарном режиме 10

1.2.1Постановка задачи нестационарной теплопроводности 11

1.2.2 Аналитический метод решения (метод Фурье) 12

1.3Влияние пористости вещества на процессы охлаждения 13

1.4 Композиционные теплозащитные материалы 16

1.4.1 Основные определения 16

1.4.2 Требования к композиционным материалам 17

1.5 Методы синтеза наночастиц 18

1.5.1 Диспергирование 19

1.5.2 Конденсация 20

1.5.3 Основы золь-гель технологии 21

1.6 Методы термического анализа 23

1.7 Анализ высокоэффективных теплоизоляционных и теплозащитных материалов 25

1.7.1 Microtherm 25

1.7.2 Теплоизоляционные материалы производства научно-производственного предприятия «Технология» (г. Обнинск) 28

1.7.3 Продукция ООО «Термокерамика» (г. Москва) 31

2 МЕТОДЫ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ 34

2.1 Принцип действия и устройство измерительной системы ДСК 34

2.1.2 Методика расчета коэффициента теплопроводности 38

2.1.3 Подготовка тигля 40

2.1.4 Подготовка образцов и метод измерения 41

2.2 Прибор для измерения коэффициента теплопроводности зондовым методом - МИТ 1 42

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ 46

3.1 Выбор волокнистых материалов с низким коэффициентом теплопроводности 46

3.2 Подбор и изготовление композиционных материалов 48

3.3Анализ полученных композиционных смесей 51

3.4 Прессование конструкционных деталей из композиционной смеси 53

3.5 Определение характеристик теплоизоляционных материалов 54

3.6 Получение золя кремниевой кислоты ионообменным способом 61

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 64

О пределения

В данной работе применены следующие термины с соответствующими определениями:

теплозащита: Средство обеспечения нормального температурного режима в установках и аппаратах, работающих в условиях подвода к поверхности значительных тепловых потоков. 

микропористая теплозащита: Теплозащита, состоящая на 80% - 90% из воздуха или газа.

композиционный материал: Результат объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых образует матрицу (связующее), а другой (наполнитель) обладает высокой прочностью; при этом композиционные материалы имеют свойства, которыми не обладают их отдельные компоненты.

нанокомпозиты: Материалы, сформированные при введении наноразмерных частиц (наполнителей) в структурообразующую твердую фазу (матрицу).

коэффициент теплопроводности (λ): Количество тепла, проходящее за 1 час через образец материала толщиной 1 м и площадью 1м² при разности температур на противолежащих поверхностях.

термический анализ: Представляет собой совокупность методов определения температур фазовых превращений и других термических характеристик индивидуальных соединений или систем взаимодействующих веществ.

Обозначения и сокращения

ТИМ – теплоизоляционные материалы

НЧ- наночастицы

КМ – композиционный материал

ТА – термический анализ

ДТА - дифференциальный термический анализ

ДС – диаграмма состояния

ДСК – дифференциально-сканирующая калориметрия

ТЗ – техническое задание

Введение

В настоящее время для защиты объектов от воздействия экстремальных температур применяются теплозащитные конструкции. При этом создание эффективной теплозащиты связано со сложностью практической реализации оптимального сочетания теплофизических, механических, экологических характеристик.

В работе разработан теплозащитный материал и представлены результаты экспериментального исследования его физико-химических свойств. Теплозащитный материал обладает минимальным коэффициентом теплопроводности, минимальной плотностью, работоспособен при воздействии высоких температур.

Материал содержит тонкодисперсные аморфные частицы оксида кремния размером (10-25)нм. При этом свойства структуры наночастиц оксида кремния обеспечивают низкую теплопроводность. Теплопередача через воздух также резко уменьшена, вследствие формирования так называемых «клеток-карманов», средний размер которых меньше пути свободного пробега молекулы воздуха.

Поэтому целью работы является разработка композиционных смесей с минимальным коэффициентом теплопроводности, изготовление прессованных деталей из композиционных смесей и изучение их технических характеристик.

1Физико-химические свойства теплоизоляционных материалов

1.1Характеристики теплоизоляционных материалов.

К теплоизоляционным материалам относятся материалы, характеризующиеся малой способностью проводить тепло. Помимо снижения теплового потока через конструкцию, теплоизоляция защищает от разрушающего воздействия переменных температур и наружного воздуха.

Основными свойствами указанных материалов являются:

Коэффициент теплопроводности (λ) – количество тепла, проходящее за 1 час через образец материала толщиной 1 м и площадью 1м² при разности температур на противолежащих поверхностях. Характеризует передачу тепла внутри материала вследствие взаимодействия его структурных единиц (молекул, атомов и т. д.).

Свойства материала можно оценить показателем λ*ρ, где ρ-плотность материала. При этом, чем меньше коэффициент теплопроводности и меньше плотность разрабатываемого материала, тем больше эффективность теплоизоляции. На величину теплопроводности также оказывают влияние температура и влажность материала. Чем выше эти показатели, тем больше у материала теплопроводность. Также на величину теплопроводности влияет структура пор и размеры частиц входящих в состав материала. Коэффициент теплопроводности не зависит от толщины материала.

Термическое сопротивление (R) – характеризует сопротивление конструкции передаче тепла. Зависит от структуры материалов, из которых состоит конструкция, их коэффициентов теплопроводности и их толщин.  R = σ / λ, где σ – толщина материала в метрах [1,2].