Многослойное изделие и способ его изготовления (варианты)

Изобретение относится к технологии получения многослойных изделий, которые могут быть использованы в областях техники, в которых изделия работают при криогенных температурах и/или в условиях аэродинамического нагрева. Изделие, работающее при криогенных температурах, содержит металлическую оболочку со слоем теплоизоляции в виде пенопласта. Между металлической оболочкой и слоем пенопласта размещены антикоррозионный слой и амортизационный слой. Пенопласт дополнительно закреплен сетью, установленной с использованием клея, а поверх него размещено антистатическое покрытие. Изделие, работающее при криогенных температурах и дополнительно в условиях аэродинамического нагрева, содержит металлическую оболочку со слоем теплоизоляции в виде пенопласта и слоем теплозащиты, выполненной из теплозащитного покрытия, состоящего из клея Эластосил 137-180 и фенолформальдегидных микросфер (ТПШ-ЭС), нанесенного на клей-герметик, а поверх него размещено антистатическое покрытие. Способ изготовления многослойного изделия заключается в том, что на металлическую поверхность последовательно наносят антикоррозионный и амортизационный слои, в качестве пенопласта напыляют Изолан-123 при давлении 0,4-0,6 МПа послойно, после чего наносят клей-герметик, выкладывают и затем фиксируют отформованные раскроенные листы теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС, выдерживают при температуре 15-35°С в течение 24 часов и поверх них наносят антистатическое покрытие - эмаль ХП-5237. 4 н.п. ф-лы, 2 ил, 2 табл.

 

Изобретения относятся к многослойным изделиям, используемым в различных областях техники, в частности в ракетной и авиационной, а точнее к многослойным изделиям, работающим при криогенных температурах и/или в условиях аэродинамического нагрева.

Из литературы известны многослойные изделия, например оболочки и днища топливных баков с топливом, находящимся при криогенной температуре, выполняемые по схеме многослойных оболочек с заполнителем, использующих металл (алюминиевые сплавы, нержавеющую сталь) и заполнители - пенопласты, армированные стеклосотами, и т.п. (См., например, книгу «Ракеты-носители» под редакцией С.О.Осипова. М.: Воениздат МО СССР, 1981 г., стр.181-182).

Однако такого рода изделия значительны по весу и объему, т.к. выполняются или с переменной толщиной, определяемой из условия прочности бака при работе на кольцевые напряжения от внутреннего давления, или вафельной конструкции.

Из патента РФ №2238225, кл. В64Д 37/00, В64С 1/00, 2003 г. известны многослойные изделия, работающие как при криогенных температурах, так и в условиях аэродинамического нагрева, содержащие металлическую оболочку со слоем теплоизоляции в виде пенопласта.

Однако в этих изделиях имеется недостаток - длительность технологического процесса изготовления изделия и приклеивания слоев теплозащиты.

Задачей данных изобретений является получение многослойных изделий, работающих при криогенных температурах и в условиях аэродинамического нагрева с достижением технических результатов в виде простоты и снижения стоимости изготовления изделий такого типа, экологической безопасности технологии напыления пенопласта, сокращения технологического цикла нанесения теплозащиты за счет уменьшения времени на механическую обработку поверхности и контроля толщины покрытия, повышения культуры производства, уменьшения энергозатрат, расширения арсенала технических средств. Получаемые при этом изделия имеют малый вес при низком коэффициенте теплопроводности и достаточно высокой прочности, и надежности в эксплуатации.

Решение данной задачи достигается тем, что в многослойном изделии, работающем преимущественно при криогенных температурах, содержащем металлическую оболочку со слоем теплоизоляции в виде пенопласта, в соответствии с изобретением между металлической оболочкой и слоем пенопласта размещены антикоррозионный слой и амортизационный слой, пенопласт дополнительно закреплен сетью, установленной с использованием клея, а поверх него размещено антистатическое покрытие, в качестве теплоизоляции использован пенопласт марки Изолан-123 с кажущейся плотностью 35-55 кг/м³, напряжением сжатия при 10%-ной деформации не менее 180-500 кПа с толщиной слоя 10-15 мм, коэффициентом теплопроводности не более 0,025 Вт/м·К, разрушающим напряжением при растяжении не менее 250 кПа, в качестве антикоррозионного слоя использован грунт ЭП-0214, в качестве амортизационного слоя - клей Криосил-Р, для крепления пенопласта использована капроновая сеть Дель, в качестве клея и как влагозащитное покрытие - клей АДВ-5, в качестве антистатического покрытия - эмаль ХП-5237.

Во втором варианте решение данной задачи достигается тем, что в многослойном изделии, работающем при криогенных температурах, но преимущественно в условиях аэродинамического нагрева, содержащем металлическую оболочку со слоем теплоизоляции в виде пенопласта и слоем теплозащиты, в соответствии с изобретением между металлической оболочкой и слоем пенопласта размещены антикоррозионный и амортизационный слои, слой теплозащиты выполнен из ТПШ-ЭС и клея-герметика, а поверх него размещено антистатическое покрытие,

в качестве теплоизоляции использован пенопласт марки Изолан-123 с кажущейся плотностью 35-55 кг/м³, напряжением сжатия при 10%-ной деформации не менее 180-500 кПа, коэффициентом теплопроводности не более 0,025 Вт/м·К, разрушающим напряжением при растяжении не менее 250 кПа, с толщиной слоя 10-15 мм, в качестве антикоррозионного слоя использован грунт ЭП-0214, в качестве амортизационного слоя - клей Криосил-Р, в качестве теплозащиты использованы отформованные листы теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС с плотностью 510-600 г/м³, разрушающим напряжением при растяжении 0,3 МПа, относительным удлинением при разрыве - 10%, коэффициентом теплопроводности в пределах 0,83-1,14 Вт/м·К и удельной теплоемкостью в пределах 1,43-1,79 кДж/кг·К, при этом листы теплозащитного покрытия приклеены к пенопласту клеем-герметиком Эластосил 137-180, а в качестве антистатического покрытия - эмаль ХП-5237.

Решение этой задачи достигается и тем, что в способе изготовления многослойного изделия, работающего, преимущественно при криогенных температурах, заключающемся в напылении пенопласта на предварительно подготовленную металлическую поверхность с последующим нанесением на него защитных покрытий, в соответствии с изобретением перед напылением пенопласта Изолан-123 на металлическую поверхность последовательно наносят антикоррозионный слой - грунт ЭП-0214 и амортизационный слой - клей Криосил-Р, после чего укрепляют пенопласт капроновой сетью Дель с помощью клея АДВ-5, используя его в качестве слоя влагозащитного покрытия, а затем наносят антистатическое покрытие - Эмаль ХП-5237.

Решение данной задачи достигается и тем, что в способе изготовления многослойного изделия, работающего преимущественно в условиях аэродинамического нагрева, заключающемся в напылении пенопласта на предварительно подготовленную металлическую поверхность с последующим нанесением на него защитных покрытий, в соответствии с изобретением перед напылением пенопласта Изолан-123 на металлическую поверхность последовательно наносят антикоррозионный слой - грунт ЭП-0214 и амортизационный слой - клей Криосил-Р, после чего на поверхность пенопласта наносят Клей-герметик Эластосил 137-180, выкладывают и затем фиксируют отформованные листы теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС, выдерживают при температуре 15-35 С в течение 24 часов и для снятия статического электричества поверх них наносят эмаль ХП-5237, при этом изгибы и заключительные стыки изделия заделывают заготовками из пенопласта Изолан-123, на поверхность пенопласта наносят слой клея-герметика Эластосил 137-180 и массу теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС заподлицо с основным покрытием.

Далее данные изобретения поясняются более подробно с использованием схем расположения слоев многослойных изделий (двух вариантов - фиг.1 и фиг.2) и таблиц со значением свойств и показателей элементов теплоизоляции и теплозащиты на металлической основе многослойного изделия.

Многослойные изделия, работающие при криогенных температурах (см. фиг.1), содержат металлическую оболочку - поз.1 - изолируемая поверхность, антикоррозионный слой - грунт ЭП-0214 ТУ 6-10-2141-88, представляющий собой суспензию пигментов и наполнителей в растворе эпоксидной смолы Э-41, - поз.2, амортизационный слой (адгезионный слой) - криогеностойкий эпоксидный клей Криосил-Р на основе фенолформальдегидной смолы СЭДМ-3Р ОСТ 92-0948-74 - поз.3, слой теплоизоляции - жесткий пенополиуретан Изолан-123 ТУ 2254-214-10480596-97 - поз.4, клеевой слой (и как влагозащитное покрытие) полиуретановый клей АДВ-5 ОСТ 92-0948-74, представляющий собой раствор полиуретана в этилацетате, - поз.5, капроновую сеть Дель ТУ 15-08-334-89 - поз.6, антистатическое покрытие - эмаль ХП-5237 ТУ 6-10-1976-84, представляющую собой суспензию пигментов и наполнителей в растворе хлорсульфированного полиэтилена, - поз.7.

Основой пакета криогенной теплоизоляции (КРТИ) является пенопласт нового поколения марки Изолан-123, в состав которого входит озоносберегающий компонент Хладон-141 в ТУ 24-019-00480689-94.

Пенопласт Изолан-123 представляет собой газонаполненную пластмассу светло-желтого цвета с закрытопористой структурой и имеющий следующие характеристики (см. табл.1):

Таблица 1
Наименование показателей	Значения
1	2
1. Кажущаяся плотность, кг/м3	35-55
2. Напряжение сжатия при 10%-ной деформации, кПа, не менее	180-500
3. Разрушающее напряжение при растяжении, кПа, не менее	250
4. Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К, не более	0,025
5. Горючесть	Трудносгораемый

Многослойные изделия, работающие преимущественно в условиях аэродинамического нагрева, (см. фиг.2) содержат металлическую оболочку - поз.1 - изолируемая поверхность, антикоррозионный слой - грунт ЭП-0214 - поз.2, амортизационный слой (адгезионный слой) - клей Криосил-Р - поз.3, слой теплоизоляции - пенопласт марки Изолан-123 - поз.4, кремнийорганический клей-герметик - Эластосил 137-180 ТУ 6-02-1214-81, представляющий собой однокомпонентную композицию на основе полиорганосилоксана с катализатором и ингибитором, - поз.8, слой теплозащиты - отформованные листы теплозащитного покрытия шпательной консистенции ТПШ-ЭС ОСТ 92-1403-90 - поз.9, антистатическое покрытие - эмаль ХП-5237 - поз.10.

Теплозащитное покрытие ТПШ-ЭС имеет следующие характеристики:

Таблица 2
Наименование показателей	Значения
1. Плотность, г/м3	510-600
2. Разрушающее напряжение при растяжении, МПа,	0,3
3. Относительное удлинение при разрыве, %	10
4. Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К	0,83-1,14
5. Удельная теплоемкость, кДж/кг·К	1,43-1,79

Покрытие ТПШ-ЭС состоит из клея Эластосил 137-180 и фенолформальдегидных микросфер.

Далее представлены способы изготовления многослойного изделия (слоистого изделия), как примеры реализации предлагаемых способов.

На предварительно подготовленную металлическую поверхность при помощи типовых установок типа Пена, Пун-5, работающих при давлении сжатого воздуха 0,4-0,6 МПа, наносят методом напыления пенопласт марки Изолан-123, послойно с толщиной отдельного слоя 10-15 мм (необходимая толщина - до 40 мм - достигается мехобработкой). Изгибы и заключительные стыки трубопроводов заделываются приклеиванием заготовок, изготовленных из плиты пенопласта с учетом размеров изгиба или стыка. В порядке подготовки металлической поверхности перед напылением пенопласта на металлическую поверхность последовательно наносят краскораспылителем одним слоем антикоррозионное покрытие - грунт ЭП-0214 толщиной 25-40 мкм и амортизационный слой - клей Криосил-Р, толщиной 150-250 мкм, обеспечиваемой расходом 180-250 г/м².

В многослойных изделиях, работающих преимущественно при криогенных температурах, для дополнительного крепления пенопласта на поверхности изделия применяется капроновая сеть Дель. Крепление осуществляется следующим образом: на поверхность пенопласта валиком наносится один слой клея АДВ-5, через 5 часов укладывается вручную сеть, края которой сшиваются капроновой нитью. Затем наносится второй слой клея АДВ-5. И, наконец, в качестве антистатического покрытия наносится Эмаль ХП-5237 в 3 слоя при расходе 250-300 г/м².

В многослойных изделиях, работающих в условиях аэродинамического нагрева, после напыления пенопласта на металлическую поверхность изделия на поверхность пенопласта наносят клей-герметик Эластосил 137-180, одним слоем при расходе 300-350 г/м², а затем выкладывают и фиксируют отформованные листы теплозащитного покрытия толщиной порядка 6 мм (ТПШ-ЭС), выдерживают при температуре 15-35°С в течение 24 часов. Фиксирование заготовок ТПШ-ЭС после выкладки осуществляют с помощью липкой ленты ПВХ или хомутами. После этого для снятия статического электричества поверх покрытия ТПШ-ЭС наносят эмаль ХП-5237. При этом изгибы и заключительные стыки изделия заделывают заготовками из пенопласта Изолан-123, на поверхность пенопласта наносят слой клея-герметика Эластосил 137-180 и массу теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС заподлицо с основным покрытием.

Формование листов ТПШ-ЭС производится в технологической оснастке, состоящей из нижней, ограничительной и верхней плит. Ограничительная плита позволяет формовать листы необходимой толщины.

Дополнительно по данным изобретениям можно добавить следующее.

Наличие клеевого подслоя повышает огнезащищенность конструкции, амортизацию сдвиговых усилий, возникающих между металлической оболочкой и пенопластом в условиях колебаний температур (вследствие различия в величине коэффициентов линейного термического расширения этих разнородных материалов.

Нанесение клеевого подслоя Криосил-Р обеспечивает гарантированное сцепление (адгезию) напыляемого пенопласта к металлической поверхности. Хорошая адгезия исключает локальные воздушные прослойки между пенопластом и металлом, а следовательно, образование инея на поверхности теплоизоляции при воздействии криогенных температур. Роль клеевого подслоя особенно возрастает при напылении на холодную и/или влажную поверхность.

Применяемый здесь Криосил-Р - эпоксидный клей хорошо зарекомендовал себя при эксплуатации в условиях криогенных температур и повышенной влажности.

Достоинством криогенной теплоизоляции является экологическая безопасность технологии напыления и низкая себестоимость пенопласта Изолан-123. Применение отформованных листов теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС позволяет сократить технологический цикл нанесения теплозащиты за счет уменьшения времени на механическую обработку поверхности и контроль толщины покрытия, повысить культуру производства, уменьшить энергозатраты.

Металл (например алюминиевый сплав, нержавеющая сталь) многослойного изделия, покрытый криогенной теплоизоляцией, работающий также и при высоких температурах, может применяться для крупногабаритных емкостей, трубопроводов сложной конфигурации и агрегатов, работающих при температурах от минус 253°С до плюс 150°С.

1. Многослойное изделие, работающее при криогенных температурах, содержащее металлическую оболочку со слоем теплоизоляции в виде пенопласта, отличающееся тем, что между оболочкой и слоем пенопласта размещены антикоррозионный и амортизационный слои, пенопласт дополнительно закреплен сетью, установленной с использованием клея, а поверх него размещено антистатическое покрытие, в качестве теплоизоляции использован пенопласт марки Изолан-123 с кажущейся плотностью 35-55 кг/м³, напряжением сжатия при 10%-ной деформации не менее 180-500 кПа, коэффициентом теплопроводности не более 0,025 Вт/м·К, разрушающим напряжением при растяжении не менее 250 кПа, с толщиной слоев 10-15 мм, в качестве антикоррозионного слоя использован грунт ЭП-0214, в качестве амортизационного слоя - клей Криосил-Р, для крепления пенопласта использована капроновая сеть Дель, в качестве клея и как влагозащитное покрытие - клей АДВ-5, в качестве антистатического покрытия - эмаль ХП-5237.

2. Многослойное изделие, работающее в условиях криогенных температур и аэродинамического нагрева, содержащее металлическую оболочку со слоем теплоизоляции в виде пенопласта и слоем теплозащиты, отличающееся тем, что между металлической оболочкой и слоем пенопласта, размещены антикоррозионный и амортизационный слои, слой теплозащиты выполнен из теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС и клея-герметика, а поверх него размещено антистатическое покрытие, в качестве теплоизоляции использован пенопласт марки Изолан-123 с кажущейся плотностью 35-55 кг/м³, напряжением сжатия при 10%-ной деформации не менее 18-500 кПа, коэффициентом теплопроводности не более 0,025 Вт/м·К, разрушающим напряжением при растяжении не менее 250 кПа, в качестве антикоррозионного слоя использован грунт ЭП-0214, в качестве амортизационного слоя - клей Криосил-Р, в качестве теплозащиты использованы отформованные листы теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС с плотностью 510-600 г/м³, разрушающим напряжением при растяжении 0,3 МПа, относительным удлинением при разрыве 10%, коэффициентом теплопроводности в пределах 0,83-1,14 Вт/м·К и удельной теплоемкостью в пределах 1,43-1,79 кДж/кг·К, при этом листы теплозащитного покрытия приклеены к пенопласту клеем-герметиком Эластосил 137-180, а в качестве антистатического покрытия - эмаль ХП-5237.

3. Способ изготовления многослойного изделия, работающего при криогенных температурах, заключающийся в напылении пенопласта на предварительно подготовленную металлическую поверхность с последующим нанесением на него защитных покрытий, отличающийся тем, что перед напылением пенопласта Изолан-123 на металлическую поверхность последовательно наносят антикоррозионный слой - грунт ЭП-0214 и амортизационный слой - клей Криосил-Р, после чего укрепляют пенопласт капроновой сетью Дель с помощью клея АДВ-5, используя его в качестве слоя влагозащитного покрытия, и затем наносят антистатическое покрытие - Эмаль ХП-5237.

4. Способ изготовления многослойного изделия, работающего в условиях криогенных температур и аэродинамического нагрева, заключающийся в напылении пенопласта на предварительно подготовленную металлическую поверхность с последующим нанесением на него защитных покрытий, отличающийся тем, что перед напылением пенопласта Изолан-123 на металлическую поверхность последовательно наносят антикоррозионный слой - грунт ЭП-0214 и амортизационный слой - клей Криосил-Р, после чего на поверхность пенопласта наносят клей-герметик Эластосил 137-180, выкладывают и затем фиксируют отформованные листы теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС, выдерживают при температуре 15-35°С в течение 24 ч и для снятия статического электричества поверх них наносят эмаль ХП-5237, при этом изгибы и заключительные стыки изделия заделывают заготовками из пенопласта Изолан-123, на поверхность пенопласта наносят слой клея-герметика Эластосил 137-180 и массу теплозащитного покрытия ТПШ-ЭС заподлицо с основным покрытием.