CC复合材料烧蚀形貌测量及烧蚀机理分析
烧蚀条件下C／C复合材料温度场的数值分析
ＹＡＮＧ Ｄｅ—ｊ ａ ｎ， Ｌ Ｉ Ｘ ｕ—ｄ ｏ ｎ ｇ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ，Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｇ ａ ｎ ｓ ｕ ７ ３ ０ ０ ５ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
第３ Ｏ 卷 第４ 期
文章编号 ： １ ０ ０ ６—９ ３ ４ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４— ０ ４ １ １ —０ ５
计
算
机
仿
真
２ ０ １ ３ 年４ 月
烧蚀 条件下 Ｃ ／ Ｃ 复合 材 料 温 度 场 的数值 分析
杨德军， 李旭 东
（ 兰州理工大学材料科学与工程学院 ， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
关键 词 ： 炭／ 炭 复合材料 ； 烧蚀性能 ； 移动边界 ； 烧蚀率 ； 有 限元仿真 中图分类号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ９； Ｖ ４ １ １ ． ８； Ｖ ４ ４ ８ ． １ ５ 文献标识码 ： Ｂ
Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｔｅ ｍ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ Ｆｉ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ Ｃａ ｒ ｂｏ ｎ ／Ｃａ ｒ ｂ ｏ ｎ Ｃｏ ｍ ｐｏ ｓ ｉ ｔ ｅ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｕ ｎｄ ｅ ｒ Ａｂｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｃｏ ｎ ｄｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ
ＡＢＳ Ｔ ＲＡＣＴ ： Ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ｕ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉ ｒ ｌ ａ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｂ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｉ ｍ－ ｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ．Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｒ ｅ ｖ ｅ ａ ｌ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｒ ｌ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅ ｏ ｆ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ—ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｓ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｂ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｕｌ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ａ ｂ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｒ ｅ ｃ ｅ ｄ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗａ ｓ ｎ ｕ ｍｅ ｉ ｒ ｃ ｌｌ ａ ｙ ａ ｎ ｌｙ ａ ｓ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｄ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｎｄ ａ ｄ ｅ ｌ ｅ ｔ ｉ ｎ ｇ ｃ ｅ ｌ ｌ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｈ ａ － ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｌｃ ａ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ａ ｂ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｗ ａ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｍｏ ｖ ｉ ｎ ｇ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｏ ｆ ｎ ｕ ｍｅ ｉ ｒ ｃ ｌ ａ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｗａ ｌｌ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｂ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉ ｒ ｌｓ ａ ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ ｌ ｙ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｏ ｔ ｈｅ ｍａ ｔ ｅ ｉａ ｒ ｌ ａ ｂ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
碳基复合材料烧蚀性能研究
ａ ｄ ｅ ｉｓｏ ｐ ｃｒ ｍ． Ａｌ ｏ ｈ ｓ ａ ｅ ｏ ｆｒ ｄ ｎ ｃ ｓ ａ ｙ ｔ ｅ ｒ ｔｃｂ ｓｓｆ ｒａ ｌｔ ｎ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ ｍ ｓ ｉｎ ｓ ｅ ｔｕ ｌ ｆｔ ｅ ｅ ｈ ｖ ｆｅ ｅ ｅ ｅ ｓ ｒ ｈ ｏ ｅｉ ａ ｉ ｏ ｂ ａ ｉ ｃ ａ ｉｍ ｆ ｏ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｂ ａｉｎ ｐ ｏ ｅ ｔ ｆｃ ｒ ｏ ａ ｅ ｏ ｏ ｉ ｓｄ ｒｎ ｈ ｅｅ ｔｙ ｗａ ｉ ｕａ ｅ ｙ ｔ ｅ ｅａ ｌｔｏ ｒ ｐ ｒｙｏ ａ ｂ ｎ ｂ ｓ ｄ ｃ ｍｐ ｓｔ ｕ ｉｇ ｔ ｅｒ— ｎ ｒ ｓｓｍ ｌｔｄ ｂ ｈ ｅ
轴线上。
强 、 比模 和耐 超高 温等 一 系列优 异 的综 合性 能 ， 高 赋予
这类 材料 在航 空航 天领域 的优 势地 位 。 目前 ， 国 、 美 俄
罗斯 等 国都把 以碳基 复合 材料 为代 表 的先进 功 能结构
材料应 用 于导 弹 、 天飞 机 、 箭发 动机 以及 飞机 的制 航 火
（ ｎ ｅ ｏ ｍ ｐ ｓｔ ａｅ ｉｌ ，Ｈａ ｂｎ Ｉ ｓｉｕ ｅｏ ｃ ｎ ｌｇ Ｃｅ ｔ ｒｆ ｒＣｏ ｏ ｉ Ｍ ｔｒａｓ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｔ ｆＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，Ｈａ ｂｎ １ ０ ０ ， ｉａ ｔ ｒ ｉ ５ ０ １ Ｃｈｎ ）
摘要 ：利用以星型交流电弧加热器为核心的地面模拟系统对碳 基复合材 料再入过 程 中的烧蚀性 能进行 了模 拟， 并通 过 材料表面温度测量 、 图像采集和发射光谱在线检测等手段对烧蚀 过程实时监测 ， 为确定 碳基复合材 料的烧蚀机 理 ， 表征
ｇ ｏ ｎ — ｉ ｕ ａ ｉ ｇ ｓ ｓ ｅ ，ｗｈ ｃ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｔ ｒ ｔ ｐ ｒ ｅ ｔ ｒ ｒ ｕ ｄ ｓｍ ｌ ｔ ｙ ｔ ｍ ｎ ｉｈ ｉ ａ ｅ ｎ ｔ ｅＡＣ ｓ ａ ｙ ｅ ａ ｃ ｈ ａ ｅ ．Ｔｈ ｂ ａ ｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｕ ｅｗａ ｅ ａ ｌ ｔｏ ｒ ｃ ｄ ｒ ｓ
HfC改性CC复合材料整体喉衬的烧蚀性能研究
表１固体火箭发动机烧蚀试验结果（７ＭＰａ） Ｔａｂｌｅ １ Ａｂｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｏｌｉｄ ｒｏｃｋｅｔ ｍｏｔｏｒ（７ＭＰａ）
Ａｂｌａｔｉｏｎ Ａｖｅｒａｇｅ ｌｉｎｅａｒ Ｍａｓｓ ａｂｌａｔｉｏｎ ＨｆＣ ｃｏｎｔｅｎｔ
ＨｆＣ—ｃ／ｃ复合材料表面烧蚀后的ＳＥＭ形貌如 图４所示．图（ａ）、（Ｃ）是喉衬收敛部位表面的ＳＥＭ 形貌；图（ｂ）、（ｄ）是喉衬的喉颈部位表面的ＳＥＭ 形貌．比较图４（ａ）和（ｂ）可以看出喉衬收敛部位表 面有一层白色物质，看不到微裂纹和冲刷的痕迹， 而喉颈的烧蚀表面则看不到白色物质，且在其表面 有许多微裂纹以及气流冲刷后留下的沟槽和烧蚀 坑，使得喉颈部位较喉衬收敛部位的烧蚀表面显得 要粗糙一些．在较高倍ＳＥＭ下可看到喉衬收敛部 位和喉颈部位的烧蚀表面都存在微裂纹，但喉颈部 位的裂纹比喉衬收敛部位的裂纹要深，这主要是因 为整体小喉衬不同部位所受的压强不同，导致其所 受的高速、高温气流的冲刷程度也不同．喉颈部位 因为面积小所受到的冲刷最严重，在烧蚀过程中生 成的Ｈｆ０２、ＫＣＩ和Ａ１２０３很容易被高速燃气流的 冲刷而带走，因而表面上看不到白色物质，但在能 谱分析（图４（ｆ））中有Ｈｆ、Ｏ等元素的存在，说明 在烧蚀过程中ＨｆＣ变成了Ｈｆ０２，而Ｈｆ０２的导热系 数较小，且具有流动性，可有效地提高材料的抗烧 蚀性能．而喉衬收敛部位的面积较大，所受热冲击 较小，而且烧蚀温度相对较低，所以在入口处被冲 刷掉的物质容易在此冷却，产生堆积，燃气所带的 Ａｌ、Ａ１２０３、Ｃｌ、Ｋ等离子也在此冷却沉积，能 谱分析（图４ｅ）也证实了以上推论．能谱分析表明 在烧蚀过程中可能发生了以下反应．
当试样制备完成时，利用Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ精密天平测 定试样的重量仇，此时试样中ＨｆＣ的含量可通过下 式计算：
SiC改性C_C复合材料的制备及其烧蚀性能
李家亮等：低温放电等离子烧结法制备氮化硅陶瓷· 251 ·第39卷第2期SiC改性C/C复合材料的制备及其烧蚀性能魏连锋，李克智，吴恒，李贺军，王永杰(西北工业大学，陕西省碳/碳复合材料工程技术研究中心，凝固技术国家重点实验室，西安 710072)摘要：采用超声波震荡法将SiC微粉添加到二维针刺碳毡预制体中，利用热梯度化学气相浸渗工艺沉积热解碳制备了SiC改性碳纤维增强碳基(carbon fiber reinforced carbon，C/C)复合材料。
借助X射线衍射与扫描电子显微镜检测和观察材料的微观结构，利用氧–乙炔烧蚀实验测试材料的抗烧蚀性能。
结果表明：SiC微粉弥散分布在C/C复合材料基体中，经氧–乙炔烧蚀30s后，线烧蚀率和质量烧蚀率分别为4.0×10–3 mm/s和3.19×10–3 g/s，分别相当于C/C复合材料的47.1%和70.6%，表明SiC的加入显著提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能，其优良的抗烧蚀性主要是因为SiC颗粒相的加入在烧蚀过程中具有抑制氧化和弥补缺陷的作用，降低了C/C复合材料的热化学烧蚀。
关键词：碳化硅微粉改性；碳/碳复合材料；制备；超声浸渗；烧蚀中图分类号：TB332 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)02–0251–05Preparation and Ablation Properties of SiC Modified C/C CompositesWEI LianFeng，LI KeZhi，WU Heng，LI HeJun，WANG Yongjie(C/C Composites Technology Research Center, State Key Laboratory of Solidification Processing, NorthwesternPolytechnical University, Xi’an 710072, China)Abstract: SiC modified carbon fiber reinforced carbon (C/C) composites were prepared by adding SiC micropowder to the carbon fiber preform before thermal gradient chemical vapor infiltration densification by using an ultrasonic vibration infiltration. The mi-crostructure of composites was studied by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. The ablation property of the compos-ites was investigated by using oxyacetylene ablation equipment. The results show that, SiC particles are mainly distributed among the pryocarbons. The linear ablation rate and mass ablation rate of the SiC modified C/C composite are 4.0×10–3 mm/s and 3.19×10–3 g/s while after ablated for 30s, which were 47.1% and 70.6% of the C/C composite, respectively. The introduction of SiC particles can obviously improve ablation property of the C/C composite, which is attributed to that the addition of SiC particles to C/C composite can effectively prevent oxidation and remedy defects which reduce thermochemical oxidation in the oxygen–acetylene.Key words: silicon carbide micropowder modification; carbon/carbon composites; preparation; ultrasonic vibration infiltration; ablation碳纤维增强碳基(carbon fiber reinforced carbon，C/C)复合材料由于具有优异的耐高温、抗热震和抗烧蚀性能，被广泛用于火箭发动机喉衬、飞行器鼻锥等高温结构部件[1–4]。
高温烧蚀条件下 C_C材料热力耦合场模拟
本文作者主要研究烧蚀碳化学反应机理、烧蚀 模型的建立，基于移动边界条件下的瞬态热边界、 物性随温度变化的物体内非线性传热特性，对瞬态 的热力耦合进行有限元求解计算；并对热应力的演 化规律进行分析。通过数值模拟表征了材料在高温 烧蚀条件下的动态热力学行为；计算结果吻合电弧 加热器烧蚀试验对比结果。因此，可以实现高温、 高过载等复杂因素耦合作用下材料烧蚀的实时 仿真。
收稿日期：２００５－１１－０７；收修改稿日期：２００６—０３一Ｏｌ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０５７２０４４，９０４０５０１６） 通讯作者：梁军，教授，研究方向为ｃ／ｃ复合材料烧蚀性能表征数值模拟Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉａｎｇｊｉ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃａ
万方数据
复舍材科亏报
按固定边界的假设，用化学边界层方程求出烧蚀质 量和壁面的对流热流，再由壁面能量平衡条件结合 热传导方程求解材料内部的热响应［１矗］。如今随着 航天技术的发展，结构轻质化、小型化和飞行、再 入速度的大幅度提高，作为热防护的碳基复合材料 具有耐高温、耐烧蚀、抗冲击等特点，并且通过自 身烧蚀引起质量损失，吸收并带走大量的热量，阻 止外部热量向结构内部传递，从而保护内部结构在 一定温度范围内正常工作。烧蚀引起结构宏观和材 料的细观形貌变化，直接影响宏观、细观流场特 性；材料的烧蚀过程伴随着复杂的物理化学变化， 同时也是材料与热环境的耦合作用过程，文献［３—８］ 等通过细观结构流场的热环境分析，结合材料表面 的细观材料组成，材料表面的细观烧蚀结构及材料 的热化学烧蚀性质，研究常压高焓条件下材料在细 观尺度上的烧蚀机理，并给出材料烧蚀后退率的预 测方法；结构内部温度剧烈变化必然产生复杂的热 应力，出现热裂破坏、热损毁［９’１ ０｜，因此热力荷载 引起的瞬态复杂热应力，对结构的强度和安全性至 关重要。
W-SiC-CC 复合材料制备及等离子烧蚀性能
第51卷第2期表面技术2022年2月SURFACE TECHNOLOGY·249·W-SiC-C/C复合材料制备及等离子烧蚀性能王富强1，陈建1，张智2，谢栋2，崔红2（1.西安工业大学 材料与化工学院，西安 710021；2.西安航天复合材料研究所，西安 710025）摘要：目的提高C/C复合材料在超高温下的抗烧蚀性能。
方法采用化学气相沉积法，在C/C复合材料表面制备SiC过渡层，然后以惰性气体保护等离子喷涂工艺在带有SiC过渡层的C/C材料表面制备W涂层，研究所制备的W-SiC-C/C复合材料的微观形貌与结构特征。
以200 kW超大功率等离子焰流，考核W-SiC-C/C 材料的抗烧蚀性能，并与无涂层防护的C/C材料进行对比分析。
结果W涂层主要为层状的柱状晶结构。
W 涂层与SiC过渡层、过渡层与基体界面呈镶嵌结构，结合良好。
SiC过渡层阻止了W、C元素相互迁移与反应。
在驻点压力为4.5 MPa、温度约5000 K、热流密度为36 MW/m2的烧蚀条件下，当烧蚀时间小于10 s 时，涂层对C/C材料起到了较好的保护作用，W涂层发生氧化烧蚀，基体未发现烧蚀，平均线烧蚀率为0.0523 mm/s；当烧蚀时间超过15 s后，涂层防护作用基本失效，基体C/C材料发生烧蚀现象。
结论以W涂层、SiC过渡层为防护的C/C复合材料，能够适用于短时间超高温的烧蚀环境，如固体火箭发动机等。
W 涂层的熔融吸热、氧化耗氧以及SiC过渡层的氧化熔融缓解涂层热应力和氧扩散阻碍的联合作用，提高了C/C材料的抗烧蚀性能。
关键词：W涂层；SiC过渡层；C/C复合材料；等离子喷涂；烧蚀性能；等离子体中图分类号：TG174；TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2022)02-0249-10DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2022.02.024Preparation and Plasma Flame Ablation Resistance ofW-SiC-C/C CompositesWANG Fu-qiang1, CHEN Jian1, ZHANG Zhi2, XIE Dong2, CUI Hong2(1. School of Materials Sciense and Chemical Engineering, Xi'an Technological University, Xi'an 710021, China;2. Xi'an Aerospace Composites Institute, Xi'an 710025, China)ABSTRACT: This paper aims to improve the ablation resistance of C/C composites at ultra-high temperatures. SiC transition layer was prepared on the surface of C/C composite material by a chemical vapor deposition method, then Tungsten coating was prepared on SiC coated C/C composites by inert gas protecting atmospheric plasma spraying. In this paper, the morphology and composition of the W-SiC-C/C composites were studied, and the ablation resistance of the W-SiC-C/C materials was evaluated by a 200 kW ultra-high-power plasma flame, which was compared and analyzed with C/C materials for coating protection.收稿日期：2021-03-08；修订日期：2021-06-28Received：2021-03-08；Revised：2021-06-28基金项目：国家自然科学基金（51671150）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51671150)作者简介：王富强（1981—），男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向为C/C材料应用。
CC复合材料HfC抗烧蚀涂层的制备、结构及性能研究的开题报告
CC复合材料HfC抗烧蚀涂层的制备、结构及性能研究的开题报告一、研究背景及意义烧蚀是高温材料所面临的一个严峻问题，主要指材料在高温气体或等离子体环境下遭受氧化、剥离、熔化等热化学反应的损伤。
为了提高高温结构材料的耐烧蚀性能，已经发展了多种抗烧蚀涂层技术。
其中，CC复合材料（C/C复合材料）因其具有高强度、高温稳定性和良好的耐烧蚀性能等优点，已广泛应用于航空、航天、能源等领域。
但是，由于CC复合材料表面易于受到热化学反应的损伤，因此需要在CC复合材料表面设计制备耐烧蚀涂层，以提高其耐高温氧化烧蚀性能。
HfC是一种具有良好高温稳定性和高硬度的陶瓷材料，在高温氧化、烧蚀等恶劣环境下具有良好的抗损伤性能。
因此，将HfC作为抗烧蚀涂层的材料，可以有效提高CC复合材料的耐高温氧化烧蚀性能。
目前，采用热处理或等离子喷涂等方法在CC复合材料表面制备HfC涂层已成为研究热点之一。
本研究旨在采用等离子喷涂技术制备HfC涂层，并研究其制备过程中HfC涂层的结构与形貌，以及涂层与基材之间的界面结合情况及其对涂层的影响。
同时，将对涂层的烧蚀性能、氧化性能和机械性能进行测试，为设计制备温度更高、性能更好的抗烧蚀涂层提供理论基础和实验依据。
二、研究内容和技术路线1. HfC涂层的制备过程采用等离子喷涂技术制备HfC涂层，对不同制备工艺参数的影响进行研究，并选择最优制备参数进行大面积涂层制备。
2. 涂层结构及形貌分析利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等手段，研究制备的HfC涂层在不同条件下的结构与形貌特征。
3. 界面结合情况分析通过剥离测试、横向切割等分析方法，研究涂层与基材之间的界面结合情况，并探讨不同制备参数对界面结合强度的影响。
4. 涂层性能测试对制备的HfC涂层进行烧蚀性能、氧化性能和机械性能测试，比较不同制备条件下的涂层抗烧蚀、氧化和机械性能，探究涂层性能与结构之间的关系。
三、预期成果及其意义1. 成功制备具有较高性能的HfC涂层通过对等离子喷涂技术制备过程中的参数调控，成功制备出具有良好抗烧蚀、抗氧化和机械性能的HfC涂层。
碳基复合材料超高温热化学烧蚀过程的数值模拟
3. 1 10atm 温度对烧蚀产物的影响 ( 1) 氧化产物 CO: 图 1可知, 2900~ 3300K 烧蚀
体系 中 CO 含 量变 化 很小。表明 反 应 2C + O2→ 2CO为该温度下的主反应。因此在该 温度下, 碳的
第 5期
碳基复合材料超高温热化学烧蚀过程的数值模拟
93
图 5 CN 含量随温度、压力变化情况 F ig. 5 Con tent o f CN under d ifferen tTW and P
物质的热力学和热化学性质是程序计算的基本。 热力学模型结果的得到需要许多热力学参数。目前, 大多数热力学软件具有物质的热力学性质数据库支
持。N IST 是一个具有悠久历史的热力学数据库。包 括超过 6000种有机物、少量无机物和超过 9000种反 应的热化学数据。NPL ( National Physica l Laboratory ) 提供高质量的材料类的热力学数据。 SGTE ( Sc ienti-f ic Group Thermodata Europe) 提供了一个包括 200种 评定系统的溶液数据库和 3000种混合物的物质数据 库。此外, 美国 JANAF 热力学数据库对碳基材料的
1. 1 最小自由能原理
对于复杂体系最终产物的确定, 目前仍基于化
学平衡的研究方法。许多证据表明化学平衡适用于
高温系统 ( T > 1500K ) 及具有足够长的平衡时间的
系统。NASA L ew is研究中心从 1967年就开始采用 程序进行化学平衡的产物计算。对于化学平衡, 必
须有一个合适的平衡判据。当两相平衡时, 其化学
1. 2 质量守恒方程
对于复杂体系, 在求解过程中要引入体系的质
量守恒方程。
CC复合材料烧蚀行为的数值模拟的开题报告
CC复合材料烧蚀行为的数值模拟的开题报告题目：CC复合材料烧蚀行为的数值模拟一、研究背景CC复合材料是一种具有优异性能的高温结构材料，广泛应用于推进及航空航天领域。
然而，在高温环境下，CC复合材料受到烧蚀的影响，从而降低了其使用寿命。
针对这一问题，采用数值模拟方法研究CC复合材料的烧蚀行为是一种有效的手段。
通过模拟材料的热传导、质量传输和化学反应过程，可以分析并预测材料烧蚀的机理与规律，为材料设计与优化提供可靠的理论支持。
二、研究目的本研究旨在探究CC复合材料的烧蚀行为，通过数值模拟热传导、质量传输和化学反应过程，以获取以下信息：1. CC复合材料在高温环境下的烧蚀机理与规律。
2. 烧蚀速率与温度、压力、气体成分等因素的关系。
3. CC复合材料烧蚀过程中表面形貌、结构和力学性能的变化规律。
三、研究内容1. 对CC复合材料的基本性质和烧蚀机理进行深入了解，建立数学模型。
2. 利用COMSOL Multiphysics等数值模拟软件，模拟热传导、质量传输和化学反应过程。
3. 分析烧蚀速率与温度、压力、气体成分等因素的变化规律。
4. 分析烧蚀过程中CC复合材料表面形貌、结构和力学性能的变化规律。
5. 确定CC复合材料烧蚀过程中最优的防护措施。
四、研究方法本研究采用数值模拟方法，建立CC复合材料烧蚀实验模型，研究其热传导、质量传输和化学反应过程，利用COMSOL Multiphysics等数值模拟软件对烧蚀机理进行模拟并分析其变化规律。
五、研究意义1. 该研究有利于加深人们对CC复合材料烧蚀机理和规律的认识，为材料设计和应用提供可靠的理论基础。
2. 研究烧蚀速率与温度、压力、气体成分等因素的关系，有助于制定更为科学的材料应用和保护措施。
3. 通过研究烧蚀过程中CC复合材料表面形貌、结构和力学性能的变化规律，可为材料匹配和应用提供参考。
六、预期成果本研究预期得到CC复合材料烧蚀机理和规律的系统研究，并得到以下成果：1. 建立CC复合材料烧蚀模型，并确定其烧蚀速率。
C复合材料超高温氧化烧蚀机理研究的开题报告
改性C/C复合材料超高温氧化烧蚀机理研究的开题报告一、选题背景与意义改性C/C复合材料具有轻质、高强度、高温耐性、耐氧化等优点，广泛应用于航空、航天、能源等领域。
但是，在极高温度下，C/C复合材料会发生氧化烧蚀，降低其力学性能和使用寿命。
因此，针对C/C复合材料的氧化烧蚀问题进行研究，具有重要的现实意义。
二、研究目的本研究旨在通过实验和数值模拟，深入探究改性C/C复合材料在超高温条件下的氧化烧蚀机理和规律，为该材料的应用和改进提供理论和实践支持。
三、研究内容1.改性C/C复合材料的组成、结构和物理性质研究；2.超高温氧化烧蚀实验的设计和实施；3.通过扫描电镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）、X射线衍射（XRD）等现代实验手段，研究氧化烧蚀过程中C/C复合材料的微观变化和结构特征；4.利用数值模拟方法，建立C/C复合材料高温氧化烧蚀数学模型，探究烧蚀机理和规律。
四、研究计划1. 第一年：(1)文献研究和材料试制；(2)研究C/C复合材料的组成、结构和物理性质；(3)设计超高温氧化烧蚀实验；(4)开展超高温氧化烧蚀实验，分析烧蚀程度、烧蚀速率等参数。
2. 第二年：(1)使用SEM、EDS、XRD等实验手段研究氧化烧蚀过程中C/C复合材料的微观变化和结构特征；(2)分析实验数据，总结分析烧蚀机理和规律；(3)建立C/C复合材料高温氧化烧蚀数学模型。
3. 第三年：(1)验证模型的可行性，进一步优化模型；(2)撰写研究报告；(3)发表学术论文。
五、预期成果1.对C/C复合材料的组成、结构和物理性质进行了深入研究；2.设计并实施了超高温氧化烧蚀实验；3.利用SEM、EDS、XRD等多种手段，研究了氧化烧蚀过程中C/C 复合材料的微观变化和结构特征；4.建立高温氧化烧蚀数学模型，揭示了烧蚀机理和规律；5.撰写研究报告，发表学术论文，提高C/C复合材料在超高温领域的应用水平。
MC-C／C复合材料烧蚀机理及其制备方法的研究进展
碳 化 物的 ｃ ｃ复合 材料 ， ／ 国内材 料工作 者也 相继 开展 了相 关 方面 的研究 。本 文重 点 总结 了近 年 来 国 内外 关 于 ＭＣ Ｃ Ｃ －／ 复合 材料烧 蚀机 理及 其制备 方法 的研 究进 展 。
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４４・ ｌ
材料 导报
２１ ０ ２年 ５月第 ２ 专辑 １ ６卷 ９
ＭＣ ｃ／ 复 合 材 料 烧 蚀 机 理 及 其 制 备 方 法 的 研 究 进 展 — ｃ
郭 建 业 易 同斌 何 庆 中 黄 安 畏 高海 波。 吴 护 林 ， ， ， ， ，
（ 中国兵 器工业第五九研究所 ， １ 重庆 ４ ０ ３ ； 驻重庆地 区军事代表 室 ， ０ ０ ９２ 重庆 ４ ０ ３ ） ０ ０ ９
ｐｅ ａａｉ ｃ ｎ ｌ ｉ ｆ － ／ ｏ ｏ ｉ ｓａｅｉｔ ｄ ｃｄ ｒｐ ｒｔ ｎｔ ｈ ｏｏ ｅ ｏ ｏ ｅ ｇ ｓ ＭＣＣ Ｃ ｃｍｐ ｓ ｅ ｒ ｒ ｕｅ ．Ｔｈ ｒｓｎ ｒｂｅ ｎ ｈ ｏｅ ｔ ｌ ｅｅ ｐ ｎ ｔ ｎｏ ｅｐｅｅｔｐｏ ｌ ｍｓａ ｄｔｅｐ ｔｎｉ ｖｌ ｍｅｔ ａｄ ｏ ｄｒｃｉｎｏ ｈ ｖ ｓｉａｉ ｆ － ／ ｏ ｏ ｉ ｓａｅ ｌ ｒｐ ｓｄ ｉ ｔ ｎｔｅ ｎ ｅｔ ｔ ｎｏ ｅ ｏ ｉ ｇ ｏ ＭＣＣ Ｃ ｃｍｐ ｓ ｅ ｒ ｓ ｐｏ ｏ ｅ． ｔ ａｏ
度 的升高不 降反 升 ＿ ， 目前最 好 的镍 基 高 温合 金 最 高工 作 】而 ］ 温 度仅 为 １ ０ ℃左 右 ， 多 数 陶瓷 基 复合 材 料 在 温 度 高 于 １０ 大
１ ＭＣ Ｃ Ｃ复 合 材 料 烧 蚀 机 理 －／
ｃ ｃ复合材 料烧 蚀 主要 为 热化 学 烧 蚀 和机 械 剥 蚀 两 部 ／
烧蚀条件对混合基体CC复合材料烧蚀性能的影响
烧蚀条件对混合基体CC复合材料烧蚀性能的影响
烧蚀条件对混合基体C/C复合材料烧蚀性能的影响
采用电弧驻点烧蚀技术,在不同焓值、驻点压力和烧蚀时间条件下对混合基体C/C复合材料的烧蚀性能进行了研究,结果表明:电弧驻点烧蚀条件下,混合基体C/C复合材料的烧蚀以机械剥蚀为主;焓值增加、驻点压力提高、烧蚀时间延长,烧蚀率增加.C/C复合材料的烧蚀性能对驻点压力十分敏感,当压力提高一倍时,材料烧蚀率将成倍增长;质量烧蚀率与驻点压力和气流焓值的关系为:mt=0.0034·H1.0663S·P1.8270S.
作者：尹健张红波熊翔黄伯云YIN Jian ZHANG Hong-bo XIONG Xiang HUANG Bo-yun 作者单位：中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南,长沙,410083 刊名：材料科学与工程学报ISTIC PKU 英文刊名：JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING 年，卷(期)：2007 25(1) 分类号：V258.3 关键词：C/C复合材料气体总焓驻点压力烧蚀。
改性 C／C 复合材料快速制备与抗烧蚀性能考核
改性 C／C 复合材料快速制备与抗烧蚀性能考核张虹;白宏德;白书欣;叶益聪;朱利安【摘要】采用液相浸渍法结合反应熔渗法快速制备改性 C ／C 复合材料，研究其微观组织及在氧乙炔焰和高频等离子体风洞环境中的烧蚀行为。
结果表明：改性 C ／C 复合材料主要含有 HfC，ZrC，TaC 等高熔点陶瓷改性相，其密度为3．83 g ／cm3，开孔率仅为4．71％。
氧乙炔焰烧蚀360 s 后，改性 C ／C 复合材料表面形成一层主要由 HfO2，ZrO2，Ta2 O5组成的致密氧化物层，材料的线烧蚀率为0．00518 mm／s。
使用高频等离子体风洞考核改性 C ／C 复合材料球头模型，在热流量3．5 MW／m2、驻点温度2293℃的条件下考核180 s 后，模型表面生成致密光滑的氧化物保护层，与基体结合牢固，模型形状及尺寸无明显改变，去掉氧化物后测得其线烧蚀率为0．00172 mm／s。
%The modified C /C composite was quickly prepared by the approach of liquid impregnation combined with reactive melt infiltration. The microstructure was studied and the ablation behavior exposed under oxyacetylene flame and high-frequency plasma wind tunnel atmosphere was assessed.Results show that many high melting point refractory compounds such as HfC,ZrC,TaC are introduced into the modified C /C composite, the density and open porosity of which are 3.83 g/cm3 and 4.71%,respectively.A compact oxide film generates upon the modified C /C composite after oxyacetylene flame ablated 360 s,which is mainly composed of HfO2 ,ZrO2 and Ta2 O5 .The linear ablation rate of modified C /C composite is 0.005 18 mm /s.The ablation resistance of modified C /C composite bulb model is assessed by high-frequency plasma wind tunnel,the heat flux is 3.53 MW/m2 ,thestagnation temperature is 2293 ℃,and the test duration is 180s.After ablation,a dense oxide protective layer forms on the surface of the model,the shape and the dimension of the model are changed insignificantly,and the linear ablation rate is 0.001 72 mm /s after removing the oxide layer.【期刊名称】《国防科技大学学报》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】6页(P20-25)【关键词】改性 C/C 复合材料;抗烧蚀;氧乙炔焰;高频等离子体风洞【作者】张虹;白宏德;白书欣;叶益聪;朱利安【作者单位】国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073;国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073;国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073;国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073;国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073【正文语种】中文【中图分类】TB35高超声速飞行器在进行长时间超高声速飞行时，由于气动加热使得飞行器的鼻锥、前缘等部位温度高达2000 ℃以上，对部件材料的抗氧化烧蚀性能和力学性能提出了苛刻要求，要求构件在高温有氧环境下能够保持完整的气动外形，不出现显著烧蚀。
CC复合材料烧蚀性能分析
度时, 碳纤维与基体的强度几乎没有差别, 由纤维的 赫数的再入体表面, 由于热流 q 过大, 并且是短时间
高温性能推测, 超过某一温度时, 碳的晶体转变无定 内的, 所以, 其表面的烧蚀机理主要是热应力引起的
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4 机械剥蚀的求解
实际上, C C 复合材料在加热到 2800 K 以上 时, 不可避免地存在着各种不同形式的缺陷 (如气 孔、裂纹等) , 正是由于这些缺陷的客观存在, 使它在 高温、高压下还没有达到材料破坏的极限情况下, 而 发生剥蚀现象, 这需要断裂力学来解释热力耦合作 用情况下的机械剥蚀; 超高温表面层的材料性能具 有某种梯度分布形式, 这是因为温度不均匀的缘故, 可以通过热力学求解出应力分布, 再由断裂力学中 的 J 积分来判断超高温表面层的剥蚀。 超高温表面层的热力耦合本构方程、边界条件-mαE = NhomakorabeaΑE
ME
2ΠRδT
K pe , E = C 1～ C 5 (4)
其中:
lgK pe=
a+
T
b (K
)
,
ΑE
,
a,
b
可由文献
[
4
]提
供,M E 为分子量。
在升华扩散控制区, 碳的升华烧蚀率由流场决
定[5 ]。
- mα= Αc (0) B
(5)
其中: B 为传质系数, Αc (0) 为流场影响因子。
Abstract: T he advan tage and the ab lation m echan ism of C C com po sites are dem on strated. A phys2 ical m odel of m echan ical2ab lation is estab lished m ain ly in term s of bo th the therm oelasticity m echan ics and fractu re m echan ics. T hen, the influence of environm en t and the appearance and d isappearance of su rface roughness are d iscu ssed. T he m echan ical ab lation and therm o2chem ical ab lation of C C com 2 po sites are analyzed. A ll these m ake som e helpfu l d iscu ssion fo r therm al p ro tection m aterials. Key words: C C com po sites; ab lation m echan ism ; physical m odel
CC复合材料的氧化烧蚀与应用详解
3.3.2 固相复合技术
将抗烧蚀组元以固相颗粒的形式引入C/C复合材料中，抗烧蚀组元可能 是单质元素，如Si、Ti、Zr等也可能是碳化物ZrC、TaC和SiC,硼化物 HfB2和ZrB2，硅化物TiSi3、MoSi2等
将超高温陶瓷粉末ZrB2、TaC 、HfC粉末加入预制体中，然后通过等温化学 气相沉积(ICVI)制备出C/C-ZrB2、C/C-SiC-ZrB2、C/C-SiC-ZrB2-HfC等复 合材料。 当热流密度为3920kW/m2时，C/C-ZrB2复合材料抗烧蚀性能优于其他几种。 当热流减小时，SiC的添加有助于抗烧蚀性能的提高，HfC的加入可提高 C/C-SiC-ZrB2复合材料的抗烧蚀性能而TaC的引入则会降低抗烧蚀性能。
实验结果表明，热解炭片层结构的取向对C/C复合材料的烧蚀性能有 显著的影响。具有粗糙层结构的C/C复合材料石墨化度高，不同炭结构之 间结合好，线烧蚀率和质量烧蚀率较小，抗烧蚀性能好；此外材料的密度 也有影响。
3.3 基体改性
基体改性法是指在C/C复合材料的基体中加入抑制剂或抗烧蚀组元，
在高温下隔离炭材料表面活性点，提高氧化起始温度，还可以形成玻
战略导弹：鼻锥驻点温度达到7000K易严重烧蚀，若出现不
超音速飞行器：发动机罩进气室、机翼引擎以及鼻锥部分温
对称烧蚀易影响飞行稳定性
度一般为2000~2400℃高温；超燃冲压发动机长时间处于高温、
大热流等极端恶劣环境下
1.1 C/C复合材料的优点：
C/C复合材料具有低比重、高比强度、高比模量、低热膨胀
3.3.3 先驱体浸渍裂解转化法（PIP）
工艺基本步骤是在一定的压力和温度条件下，将炭纤维预制体放入先 驱体有机聚合物中浸渍，烘干溶剂后在一定条件下交联固化，再在一 定气氛下进行高温热处理，使先驱体成功的从有机物裂解为无机物， 进而转变为陶瓷基体，经过一定周期的反复的浸渍裂解最终获得所需 密度的复合材料。
cc复合材料的氧化烧蚀与应用
I. 研究重点在于设计致密化工艺来控制C/C复合材料中基 体炭的结构、材料密度和石墨化度，进而获得优越的抗 烧蚀性能
II. 基体改性方面：需解决材料内部存在孔隙和微裂纹问题， 在C/C复合材料加入超高温陶瓷时易出现分布不均匀问 题
III. 抗烧蚀涂层方面：涂层与C/C复合材料的界面相容性、 热膨胀匹配性、涂层高温稳定尚未彻底解决
三向3D增强C/C复合材料整体性好，具有较好的各向同性
相关研究表明：相同致密化工艺与烧蚀条件下，4D编织预制体作增 强体C/C复合材料比4D预制体增强C/C复合材料的烧蚀性能好，且 预制体中炭纤维束越粗，抗烧蚀性能越好
3.2 热解炭织构对C/C复合材料烧蚀性能影 响：
C/C复合材料的致密化工艺主要为化学气相渗透（CVI）和液相 浸渍工艺。
优点：在大气环境内可以制备较致密涂层、沉积效率高成本低、涂层 比较均匀，厚度可以控制 缺点：涂层气孔率较高，涂层与基体界面咬合弱，在高温循环时易剥 落与开裂
通过实验采用等离子喷涂法在C/C复合材料SiC内涂层的表面制作 TaC抗烧蚀涂层，ZrC抗烧蚀涂层以及MoSi2基复合涂层。在1900℃ 具有良好的抗烧蚀性能。
报告人：
一．研究背景 二．抗烧蚀性能评估 三．耐高温抗烧蚀C/C复合材料的制备方法 四．总结与展望
C/C复合材料是一种在航空、航天及核工业等高技术领域的 热端构件中具有广阔发展前景的耐高温结构材料。
火箭喉衬喷管：以2000℃/s速度骤然升温，且固体颗粒或 Al2O3液滴产生高燃速气流的剧烈冲刷和化学腐蚀 战略导弹：鼻锥驻点温度达到7000K易严重烧蚀，若出现不 对称烧蚀易影响飞行稳定性 超音速飞行器：发动机罩进气室、机翼引擎以及鼻锥部分温 度一般为2000~2400℃高温；超燃冲压发动机长时间处于高温、 大热流等极端恶劣环境下
CC复合材料解析
高温下的稳 定性比较好
碳/碳复合材料与其他材料温度上升 时比强度的比较
几种材料拉伸比强度的比较
8
碳/碳复合材料和其他材料各种性能的比较
9
• 3 热学及烧蚀性能 碳/碳复合材料导热性能好、 热膨胀 系数低,因而热冲击能力很强,不仅可用于 高温环境, 而且适合温度急剧变化的场合。 其比热容高, 这对于飞机刹车等需要吸收 大量能量的应用场合非常有利。碳/碳复合 材料是一种升华-辐射型烧蚀材料,且烧蚀 均匀。通过表层材料的烧蚀带走大量的热, 可阻止热流传入飞行器内部。因此该材料 被广泛用作宇航领域中的烧蚀防热材料。
碳/碳复合材料的主要制备步骤为： 预制体的成型 致密化处理 石墨化，其中致密化是制备碳/碳复合材 料的关键技术。
12
• 致密化
成型后的预制体含有许多孔隙,密度也低,不 能直接应用,须将炭沉积于预制体,填满其孔隙, 才能成为真正的结构致密、 性能优良的碳/碳复 合材料,此即致密化过程. 传统的致密化工艺大 体分为液相浸渍和化学气相沉积两种。
三、 碳/碳复合材料的性能
• 1 物理性能 碳/碳复合材料在高温热处理后的 化学成分,碳元素高于99%,像石墨一样, 具有耐酸、 碱和盐的化学稳定性。其比 热容大,热导率随石墨化程度的提高而增 大,线膨胀系数随石墨化程度的提高而降 低等。
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• 2 力学性能 碳/碳复合材料的力学性能主要取决于碳纤 维的种类、 取向、 含量和制备工艺等。单向增 强的碳/碳复合材料,沿碳纤维长度方向的力学性 能比垂直方向高出几十倍。随着温度的升高,碳/ 碳复合材料的强度不仅不会降低,而且比室温下 的强度还要高。一般的碳/碳复合材料的拉伸强 度大于 270MPa, 单向高强度碳/碳复合材料可达 700MPa 以上。在1000 ℃以上,强度最低的 碳/ 碳复合材料的比强度也较耐热合金和陶瓷材料的 高。碳/碳复合材料的断裂韧性较碳材料有极大 的提高,其破坏方式是逐渐破坏, 而不是突然破 坏, 因为基体碳的断裂应力和断裂应变低于碳纤 维。
碳碳复合材料表面烧蚀研究进展
亠星如無INDUSTRIAL HEATING・38・2021年第50卷第5期Vol. 5 0 No.5 2021DOT 10. 3969/j. issn. 1002-1639.2021.05. 010碳/碳复合材料表面烧蚀研究进展D j（西安航空职业技术学院航空材料工程学院，陕西西安710089）摘要:碳/碳复合材料作为碳基复合材料的一种，因其具有耐高温、耐高压、耐表面烧蚀及抗辐射等优越性能，在航空航天领域发挥着重要的作用（ 碳合材 环境为高温富氧条件下时， 出现表面烧蚀的 ，因 年的研究大多集中在 改善高温的.通过介绍碳/碳复合材料表面烧蚀机理，从验和模拟两方面综述了高温氧化烧 /碳复合材料的研究进，从为碳/碳复合材料的研究 提定的参考意义（关键词:碳/T合材料;表面烧蚀;研究进展中图分类号:TQ314. 248文献标志码:A文章编号：1002-1639（2021 ）05-0038-03Research Progres t ic Ablation of Carbon / Carbon CompositetANNa(XiWn Aeronautical Polytechnic Institute ，Colleae of Aeronautical Materiale Engineering ，XiWn 710089，China)Abstract : As a kind of carbon matrix composite ，carbon / carbon composite plays an important role in the fielO of aerospace because of its hightemperature resistance ，high pressure resistance ，suOace erosion resistance and radiation resistance. However ，when the environme n t of carbon / carbon composite material s is high temperature and rich oxyyen ，the suOace ablation problem appears. So in recent years ，most of the re search focuses on how / improve the high temperature and ease / oxidize. By introducing the ablation mechanism of carbon / carbon compos ite material s ，the research proxress of high temperature oxidation ablation of carbon / carbon composite material s is summarized from two as-pecW of experiment and simulationse as / provide some reference significance for the research and development of carbon composites materi-ae.Key W o /s ： carbon / carbon composite ； suOace ablation ； research provress碳基复合材料一般是指以碳纤维或者碳化硅作为 强体加 材料中 备的复合材料，而C/C 合材 合材料中的一种［1］（ 碳合材 有高强度、高模量、高韧性、隔热 多能， 天域中使用的重要材料，长期以C/C 复合材 存在 研究 ， 在富氧高温环境下其表面的 烧蚀比较严重（见图1）（研究表明，如果C/C 复合材料表面 重为1% ，其材 的强度 下 10%; 重 10% ，其材料强度急速下 50%o C/C 复合材料主要用于 （火箭部 、洲际弹、特种飞机），其服役的环境极其恶虐，在 穿 气 程中，复合材 受 的影响。
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C/C复合材料烧蚀形貌测量及烧蚀机理分析俞继军1 马志强1 姜贵庆1 童秉纲2(1 北京空气动力学研究所,北京 100074)(2 中国科学院研究生院,北京 100039)文 摘 对C/C复合材料试件的表面细观烧蚀进行了常压下的亚、超声速和高压下的亚音速烧蚀形貌的测量;根据测量结果,分析了C/C复合材料在上述情况下的质量损失规律。
结果表明:C/C复合材料在亚音速流场的条件下,z向纤维束首先发生剥蚀,当压力升高时,碳布会发生层间剥蚀的现象;而在超音速条件下,碳布更容易发生剥蚀的现象。
关键词 C/C复合材料,烧蚀,机械剥蚀Pattern Surface Measure and Ablation Analysis for C/C C om posite MaterialY u Jijun1 Ma Zhiqiang1 Jiang G uiqing1 T ong Binggang2(1 Beijing Institute of Aerodynamics,Beijing 100074)(2 G raduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039)Abstract Different microstructures of ablated surfaces,including those under normal pressure and subs onic or su2 pers onic flow field and those under high pressure and subs onic flow field,are measured for the sam ples of C/C com posite materials.Based on experimental results,mass loss rules under corresponding conditions are given.The results dem on2 strate that under the subs onic flow fields there firstly exists mechanical erosion of fibers in z direction and with the pres2 sure higher laminated carbon cloth will be peeled between the layers,but under supers onic flow fields,the carbon cloth will be eroded m ore easily.K ey w ords C/C com posite material,Ablation,Mechanical erosion1 引言在航天器再入的过程中,C/C复合材料会受到空间的高焓、高压、高热流恶劣条件,在材料自身各组成相的烧蚀不同步的情况下,材料的表面会形成一定的细观烧蚀形貌[1,2]。
结构缝隙的理论和实验的研究表明[3]:在结构缝隙的内部,其热流要远远低于外部的热流,因此在材料相对确定的深度不会发生烧蚀;同时边界层的微观孔洞的理论分析也证明了在孔洞的表面出口剪应力要远远大于内部,因此在材料相对确定的深度不会发生由剥蚀而产生的质量损失。
在烧蚀过程中,材料优先烧蚀和优先剥蚀的部分不会无限深下去,而是应该有一个稳定值或一个稳定的演化规律,因此在材料表面应该有相对稳定的细观烧蚀形貌。
在空间环境较为恶劣的条件下,C/C复合材料的表面会产生由热化学烧蚀及机械剥蚀而引起的质量损失。
其中C/C复合材料的热化学烧蚀的理论研究较多[4,5],而材料的机械剥蚀与热化学烧蚀的收稿日期:2002-07-12;修回日期:2002-08-19俞继军,1974年出生,博士研究生,主要从事气动热力学的研究工作耦合效应等方面的研究相对较少。
本文利用高精度的表面粗糙度测量仪对C/C 复合材料的烧蚀表面形貌进行了测量,分析了在各种流场状态下材料表面各组成相的热化学烧蚀及机械剥蚀的特点和它们相应的演化规律。
2 实验2.1 仪器采用T alyscan150型表面粗糙度测量仪进行了材料的测试和表面图像处理。
该仪器的激光测头的分辨率为2μm ,电感测头的分辨率为60nm ;在模型的测量过程中,可以比较精确地测量出材料表面的二维及三维的比较真实的数据,并且根据这些数据绘制材料表面的二维曲线、等高线图及三维立体图等。
2.2 试件及实验状态实验所用的试件均为圆柱形的平头试件,其材料烧蚀后的模型如图1所示。
试件的材料采用细编穿刺及浸渍碳化成型工艺制造的C/C 复合材料。
烧蚀实验在电弧加热器上进行。
材料的烧蚀实验状态包括亚音速及超音速和低、高压等多个流场状态。
其驻点压力最高可达8MPa ,气体的总比焓最高可达25M J/kg。
图1 烧蚀后C/C 复合材料模型Fig.1 C/C composite material m odels after ablation3 结果及分析3.1 试件的烧蚀结果3.1.1 亚音速高热流条件下材料表面的烧蚀亚音速高热流条件下C/C 复合材料表面的烧蚀图像如图2所示,其表面通过z 向纤维束的烧蚀曲线如图3所示。
从图3中可以看到在亚音速高热流条件下C/C 复合材料的z 向纤维束的烧蚀速度要小于碳布的烧蚀速度,同时界面的优先烧蚀明显;反映到曲线图中其材料各相的界面为最低点,z 向纤维束有烧尖的现象,同时从图3中还可以看到z 向纤维束的烧蚀对碳布的烧蚀影响明显。
图2 亚音速高热流下的C/C 复合材料烧蚀形貌Fig.2 Ablative pattern of C/C composite material undersubs onic and high heating flowfield图3 亚音速高热流下的C/C 复合材料烧蚀表面曲线Fig.3 R oughness curve of C/C composite materialunder subs onic and high heating flow field3.1.2 亚音速高压条件下C/C 复合材料的烧蚀亚音速高压条件下C/C 复合材料的烧蚀图像如图4图和图5所示。
图4 亚音速高压(P S =2.5MPa )时C/C 复合材料的表面烧蚀图像Fig.4 Ablative pattern of C/C composite material undersubs onic flow field with 2.5MPa of pressure图5 亚音速高压(P S =3.5MPa )时C/C复合材料的三维表面烧蚀形貌图Fig.5 Three 2dimensional ablative pattern of C/C composite material under subs onic flow field with 3.5MPa of pressure 图4中材料表面通过z 向纤维束的烧蚀曲线如图6所示。
从图中可以看到在亚音速高压条件下C/C 复合材料的z 向纤维束的烧蚀速度要大于碳布的烧蚀速度,z 向纤维束表面烧蚀相对光滑;反映在曲线中,z 向纤维束为材料烧蚀的最低点,其表面的烧蚀由z 向纤维束中心逐渐向碳布表面扩展,并且在碳布和z 向纤维束之间没有明显的界面。
当压力继续升高时,碳布表面出现阶梯状分布曲线,其阶梯的长度为相邻的两束纤维的中心距离,如图7所示。
图6 亚音速高压(P S =2.5MPa )时的C/C 复合材料烧蚀表面曲线Fig.6 R oughness curve of C/C composite material undersubs onic flow field with 2.5MPa ofpressure图7 亚音速高压(P S =3.5MPa )时C/C 复合材料烧蚀表面曲线Fig.7 R oughness curve of the C/C composite material undersubs onic flow field with 3.5MPa of pressure3.1.3 超音速高热流条件下C/C 复合材料的烧蚀超音速高热流条件下C/C 复合材料的烧蚀图像如图8所示,其表面z 向纤维束的烧蚀曲线如图9所示,曲线中烧蚀的最低点在xy 碳布的中心。
这些现象说明在超音速下C/C 复合材料的z 向纤维束的烧蚀速度要小于碳布的烧蚀速度,但两者之间的界面变化不明显,即界面的优先烧蚀现象不明显,表面变化平缓,同时材料表面还存在着较多的缺陷。
图8 超音速高热流条件下C/C 复合材料的烧蚀图像Fig.8 Ablative pattern of C/C composite material undersupers onic and high heating flowfield图9 超音速高热流下C/C 复合材料烧蚀表面曲线Fig.9 R oughness curve of C/C composite materialunder supers onic and high heating flow field3.2 烧蚀机理分析(1)亚音速高热流条件下,C/C 复合材料的表面烧蚀是由扩散控制的,由于组成相的性质差异,形成了界面的优先烧蚀及碳布的烧蚀速度较快。
同时其表面烧蚀图像也表明,在一定的状态下材料表面细观烧蚀形貌具有一定的规律性,其烧蚀形貌是以材料的组成相分布为基础的,并且其组成相的烧蚀具有相互影响的现象,说明材料细观热环境对材料表面的烧蚀是有很大影响的。
(2)在亚音速高压条件下,z向纤维束在正压力的作用下容易剥蚀,因而出现了z向纤维束烧蚀较快的现象,其质量损失为z向纤维束剥蚀及烧蚀的耦合作用。
当压力继续升高时,C/C复合材料的xy 向碳布出现阶梯状分布的现象,而且其阶梯的落差与碳布层的厚度为同一量级,说明在碳布的表面出现了层间剥蚀现象,因此此时材料的质量损失为材料的细观热化学烧蚀、z向纤维束的剥蚀和碳布的层间剥蚀耦合作用的结果。
(3)在超音速高热流条件下,材料表面要承受较大的剪切应力,由于碳布在烧蚀的条件下剪切强度较低,发生了碳布的优先剥蚀,因而使材料表面碳布的质量损失加大,掩盖了材料表面的烧蚀界面,也使材料表面碳布区域缺陷较多;同时z向纤维束的剥蚀要小于碳布的剥蚀,从而使烧蚀表面变化相对平缓。
所以超音速条件下的烧蚀可能为材料的细观烧蚀、碳布优先剥蚀和z向纤维束的剥蚀耦合作用的结果。
4 结论采用细编针刺工艺制造的C/C复合材料在亚音速高热流流场条件的作用下,其材料表面会形成以材料各组成相分布为基础的细观烧蚀形貌,并且材料表面各组成相的烧蚀是相互影响的;在亚音速高压条件下,材料的剥蚀现象与实验时的驻点压力密切相关,在压力相对较小时,z向纤维束首先发生剥蚀,当压力升到相对较高时,碳布会发生层间剥蚀的现象。