Установка для получения сверхпрочного материала

Полезная модель относится к получению сверхпрочного материала для обшивок гиперзвуковых самолетов на основе 3D-структуры модифицированного сапфира, насыщенного ниобием. Такой материал работает при температурах до 20000 С. Установка для получения сверхпрочного материала, содержащая тигель с расплавом Аl₂О ₃ и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом Аl₂О₃, отличающийся тем, что в него дополнительно введены направляющие трубки для создания формирующего и охлаждающего потоков газокапельных смесей, установленные выше направляющего капилляра, направляющий стержень, вращающийся вокруг направляющего стержня и перемещающийся вдоль него формообразователь, на поверхности которого формируется столбик расплава, объединенные в блок формирования неорганических связующих, блок формирования 3D-структуры, вход которого соединен с выходом блока формирования неорганических связующих, блок насыщения ниобием, вход которого соединен с выходом блока формирования 3D-структуры, содержащий тигель с расплавом ниобия, направляющую трубку для создания охлаждающего потока газокапельной смеси, платформу, на которой установлены тигель с расплавом ниобия и направляющая трубка для создания охлаждающего потока газокапельной смеси, перемещающийся в двух направлениях поддон, в котором установлена 3D-структура неорганических связующих.

Полезная модель относится к получению сверхпрочного материала для обшивок гиперзвуковых самолетов на основе 3D-структуры модифицированного сапфира, насыщенного ниобием. Такой материал работает при температурах до 2000°С.

Известны оболочечные конструкции секций фюзеляжа, изготовленные из объемно-армированных плит на основе наномодифицированных неорганических связующих, а также методы Вернейля, Степанова, Чохральского /1/, позволяющие осуществить однофазную кристаллизацию при выращивании тугоплавких монокристаллов из расплава для получения неорганических связующих.

Таким образом, рассматриваемая задача сводится к следующему:

1. Получению неорганических связующих, в данном случае монокристалла сапфира, который при дендритном росте сохраняет свои механические свойства и теплопроводность и позволяет использовать его как армирующий материал в композиционных сплавах;

2. Формированию неорганических связующих в спирали;

3. Связке спиралей в полотно (3D-структура) (по аналогии с сеткой «рабица»);

4. Насыщению 3D -структуры ниобием.

Наиболее близкой к описываемой полезной модели относится установка А.В.Степанова /1/, использующая капиллярные силы, с помощью которых формируется столбик расплава на поверхности формообразователя.

В качестве прототипа выбрана установка А.В.Степанова, содержащая тигель с расплавом Аl₂О₃ и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом Аl ₂О₃.

Недостатком данной установки является невозможность быстрой кристаллизации монокристальных изделий из модифицированного сапфира.

Цель изобретения - получение сверхпрочного материала для обшивки гиперзвуковых самолетов.

Поставленная цель достигается тем, что в кристаллизационную установку, содержащую тигель с расплавом Аl₂ О₃ и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом Аl₂О ₃, дополнительно введены блок формирования неорганических связующих, содержащий направляющие трубки для создания формирующего и охлаждающего потоков газокапельных смесей, установленные выше направляющего капилляра, направляющий стержень, формообразователь, на поверхности которого формируется столбик расплава, и вращающийся вокруг направляющего стержня и перемещающийся вдоль него, блок формирования 3D-структуры, вход которого соединен с выходом блока формирования неорганических связующих, блок насыщения ниобием, вход которого соединен с выходом блока формирования 3D-структуры, содержащий тигель с расплавом ниобия, направляющую трубку для создания охлаждающего потока газокапельной смеси, платформу, на которой установлены тигель с расплавом ниобия и направляющая трубка для создания охлаждающего потока газокапельной смеси, перемещающийся в двух направлениях поддон, в котором установлена 3D-структура неорганических связующих.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемая установка отличается наличием новых элементов и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к решению новой задачи создания сверхпрочного материала для обшивки гиперзвуковых самолетов. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».

На фиг.1 показана схема устройства для получения сверхпрочного материала.

Установка включает: I - блок формирования неорганических связующих, в составе: 1 - тигель с расплавом Аl₂О ₃, 2 - направляющий капилляр, 3 - направляющая трубка с формирующим потоком газокапельной смеси, 4 - направляющая трубка с охлаждающим потоком газокапельной смеси, 5 - монокристалл сапфира, 6 - формообразователь, 7 - направляющий стержень; II - блок формирования 3D-структуры неорганических связующих; III - блок насыщения ниобием, в составе: 4 - направляющая трубка с охлаждающим потоком газокапельной смеси, 9 - тигель с расплавом ниобия, 8 - платформа, 10 - поддон, 11 - 3D-структура неорганических связующих, 12

- сверхпрочный материал (3D-структура неорганических связующих, насыщенная ниобием).

Установка работает следующим образом.

В блоке формирования неорганических связующих I расплав Аl₂О ₃ при температуре Т₀ за счет капиллярных сил поднимается по направляющему капилляру 2, размер которого лежит в пределах от 100 мкм до 7-8 мм (l), и встречается с формирующим потоком газокапельной смеси, подаваемой в направляющую трубку 3. Газокапельная смесь может представлять собой эмульсию, температура T₁ которой равна T₁ =T_K+T, где T_K - температура кристаллизации расплава Аl₂О₃; T-1-2°С - перегрев. Формирующий поток обеспечивает термостатирование расплава Аl₂О ₃ с заданными размерами и геометрией (на фиг.1 размер d ₁, который в 2-3 раза меньше параметра l). Сформированный расплав Аl₂О₃ охлаждается охлаждающим потоком газокапельной смеси (температура T ₂), поступающей по направляющей трубке 4. На поверхности формообразователя 6, расположенного на нижнем по схеме конце направляющего стержня 7, формируется столбик расплава Аl ₂О₃. Ось направляющего стержня 7 совпадает с осью направляющего капилляра 2. Точка формирования столбика расплава Аl₂О₃ смещена на величину e (фиг.1), что способствует при вращении формирователя 6 и его перемещении вдоль направляющего стержня 7 сформировать спиралевидную нить заданной длины, которая в дальнейшем поступает в блок II формирования 3D-структуры неорганических связующих. Внутренний диаметр спирали определяется диаметром d₂ направляющего стержня 7, а шаг h - линейной и угловой скоростями перемещения формообразователя 6 по направляющему стержню 7. На выходе блока I формируется спираль из монокристалла сапфира 5. Чем продуктивней термостатирующий и формирующий потоки газокапельных смесей, тем производительней установка. При этом получается оптически мутный сапфир, но с заданными показателями прочности и теплопроводности.

В блоке II происходит «сшивание» спиралевидных нитей 5 в единое полотно 11 наподобие сетки «рабица».

«Сшитое» полотно 11 поступает в блок III. При этом оно укладывается на перемещающийся в двух направлениях поддон 10, расположенный ниже платформы 8, на которой жестко установлены тигель 9 с расплавом ниобия и направляющая трубка 4 с охлаждающим потоком газокапельной смеси. Через регулируемое отверстие в тигеле 9 расплавленный ниобий проникает в 3D-структуру 11 и насыщает ее. При этом возникающий термоудар не изменяет структуры монокристалла сапфира 5. Охлаждение сформированной 3D-структуры 11, насыщенной ниобием, производится охлаждающим потоком газокапельной смеси направляющей трубки 4, а также хорошей теплоотдачей монокристалла сапфира 5. При этом образуется сверхпрочный материал 12, работающий при температурах до 2000°С.

Таким образом, предлагаемая установка позволяет получить материал из модифицированного сапфира, насыщенного ниобием, с новыми характеристиками, обеспечивающими работу при температурах до 2000°С.

Литература

1. Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. - М., Физматлит, 2004. - 159 с.

Установка для получения сверхпрочного материала, содержащая тигель с расплавом Al₂О ₃ и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом Al₂О₃, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены направляющие трубки для создания формирующего и охлаждающего потоков газокапельных смесей, установленные выше направляющего капилляра, направляющий стержень, формообразователь, на поверхности которого формируется столбик расплава, и вращающийся вокруг направляющего стержня и перемещающийся вдоль него, блок формирования 3D-структуры, вход которого соединен с выходом блока формирования неорганических связующих, блок насыщения ниобием, вход которого соединен с выходом блока формирования 3D-структуры, содержащий тигель с расплавом ниобия, направляющую трубку для создания охлаждающего потока газокапельной смеси, платформу, на которой установлены тигель с расплавом ниобия и направляющая трубка для создания охлаждающего потока газокапельной смеси, перемещающийся в двух направлениях поддон, в котором установлена 3D-структура неорганических связующих.