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
q = 0, u = v = w = 0 (边界 # 2 上)
表面粗糙度反过来又影响流场和传热。 表面粗
t = 0, T 0 = 400
(11)
糙度所造成的附加阻力, 就其物理特性而言, 不属于 剪切摩擦力, 而属于涡旋分离阻力。表面粗糙度对其 阻力的影响随边界层厚度的减少而增大, 因此, 粗糙 度在首部的阻力作用比在尾部的要强。则可推测, 露 出的纤维剥落从头部开始。 粗糙度的附加阻力系数
复合材料学报
第
18
卷
第
3
期
8
月
2001
年
A CTA M A T ER IA E COM PO S ITA E S IN ICA
V o l. 18 N o. 3 A ugu st 2001
文章编号: 100023851 (2001) 0320076205
图 1 剪应力等引起剥落物理模型 F ig. 1 T he physical model of denudation
caused by shearing strength, etc
在短时间内、超高热流的作用下, 材料表面 (T w
火箭喷管中, Α≈ 2. 4 kcal m 2 · s·K, T e≈ 3300 K。 由此可知, 几乎无法使高马赫数的再入状态中的热 流 q 下降, 而火箭喷管, 采用能够承受 3300 K 的壁 温材料, 如 C C 复合材料, 可使对流换热下降差不 多为零。 实际上, 这也说明 C C 复合材料为什么能
黄海明, 等: C C 复合材料烧蚀性能分析
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氧化反应式
Oϖ + C ( s) → CO
(1)
其中: Oϖ 为氧分子和氧原子。
在速率控制区, 氧化质量烧蚀率
-
mα=
k0e- RδET
M{
M
w O
pe
1 2
(2)
在扩散控制区, 氧化质量烧蚀率
- mα= mαOϖ (扩散)
(3)
其中: Rδ 为通用气体常数,M{ w 为壁面上平均气体分
化不大, 所以, 纤维剥落的决定因素是纤维露出的长
度。 由于基体和纤维烧蚀的差异, 纤维露出, 又由于
流场的剪切力引起纤维的剥落, 周而复始, 即表面的
粗糙度在不断变化。由以上分析, 纤维露出的长度 h
的有关因素 h = f ( t, Θ1, Θ2, q, Σ, Φυ)
(7)
面后, 动能转化为热能, 在能量平衡方程式中加入此 项, 如果凹痕深, 还需当做表面上的裂纹来考虑, 判 断此处的应力集中是否引起片状剥蚀。
ANALY SIS OF THE ABLAT ION OF C C COM POSITES HU AN G H ai2m ing, DU Shan2yi, W U L in2zh i, W AN G J ian2x in
(Cen ter fo r Com po site M aterials, H arb in In stitu te of T echno logy, H arb in 150001, Ch ina)
收稿日期: 2000209225; 收修改稿日期: 2000211222 基金项目: 国防 973 重大科研资助项目 作者介绍: 黄海明 (1969) , 男, 博士生, 主要从事极端环境下复合材料性能模拟等方面的研究。
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·78·
复 合 材 料 学 报
片状剥落 (如图 2) 和升华。
3 表面粗糙度
由于纤维与基体的密度不同, 烧蚀面上露出纤
维。将露出的纤维简化为梁, 流场边界层中的剪切力
和涡旋分离阻力引起纤维等的剪力和力矩, 由材料
力学知, 在其根部形成最大的应力, 当此应力超过其
强度时, 纤维剥落 (如图 3)。由于流场中的剪切力变
Ρij = 2Λ(Η) Χij + Κ(Η) Χkk∆ij - Βij (Η) Η (10)
其中: Κ(Η) , Λ(Η) 为 L am e 弹性常数, Βij (Η) 为热
力系数, Η为温度的变化 (T - T 0) , Χij 为应变分量, Ρij
为应力分量,
q = q ( t) , p = p ( t) (边界 # 1 上)
子量,M O 为氧的分子量, p e 为边界层上的压力, 活
化能 E 和 k0 随材料的不同而变, 如热解石墨: k0 =
21800 g
cm
2 · s·
( a tm
)
1 2
,
E
=
42.
3 kcal m o l。
在升华速率控制区, 由分子运动理论得碳的最
大升华率为
型炭, 而基体碳也转化为无定型炭, 即超过某一温度 的区域为无定型碳区, 则呈现各向同性和低强度, 如 图 2 中的阴影所示; 剥蚀就是在此区进行, 一般是从 裂纹或孔隙等处开始, 因为那里存在应力集中。由于 C C 复合材料内部有孔隙, 并且温度梯度非常大, 在 热应力作用下, 易引起应力集中, 当耦合的应力超过 其强度时, 便从裂纹尖端处或最大应力处开始剥离, 引起片状剥落。图 2 中表面的阴影区处于超高温区, 阴影区下面呈现各向异性。T 0→T 1, 强度高, 并且不 断增高, 而 T 1→T w 层, 非常薄, 强度变小, 这有点象 钢淬火, 总体上来讲, 有利于 C C 适合于高温、高压 环境。
和初始条件
图 3 纤维剥蚀局部物理模型 F ig. 3 T he local physical model of fiber denudation
其中: Θ1, Θ2 分别为纤维和基体的密度, Φυ 为涡 旋分离阻力。
5 5x i
5Η k ij 5x j
=
cΧΗα+
T Βij (Η) Χαij
(9)
2 环境影响
论材料烧蚀不能不谈环境。不同的环境、同一材 料的主要烧蚀机理也有不同。举例说明, 比较战略导 弹端头帽再入问题和火箭喷管的烧蚀机理的对流传 热方程
q = Α(T e - T w )
(6)
其中, 战略导弹端头帽再入是高马赫数的再入
体, Α≈ 0. 5 kcal m 2·s·K, 而 T e 大约为 1000 K。在
～ T 1) 区的温度场按指数规律分布; 碳纤维的强度 够在火箭喷管中得到特别有效的应用。 在火箭喷管
随温度的升高而升高, 当温度升高到一定值时, 碳纤 中, C C 复合材料的烧蚀机理主要是氧化和剪切力
维的强度迅速下降, 也可以这样认为, 当超过某一温 引起的颗粒剥蚀 (如图 1) , 其烧蚀率较低; 而在高马
C C 复合材料由三种不同组分构成, 即树脂碳、 碳纤维和热解碳。 通常超过 2200 ℃的热处理温度 时, 开始发生三维层平面的排列, 这种转化, 即石墨 化过程, 伴随着层间间距的减小, 表观微晶尺寸的增 加。石墨化度的高低, 表明了碳结构离理想石墨结构 的远近程度。 在 C C 复合材料的制备工艺中, 石墨 化度的高低决定着材料的力学性能和热物理性能, 石墨化度的升高, C C 复合材料的力学性能值降低, 韧性改善, 热物理性能提高; 适当地控制石墨化度, 可以对材料性能进行调制, 获得能满足不同需求的 C C 复合材料。它克服了一般炭2石墨材料强度低的 缺点, 保持了石墨的耐高温性能, 又具有高的比强 度、比刚度和低的烧蚀率, 成为一种良好的抗烧蚀材 料和耐高温结构材料。 正是由于其高强度、低密度、 高温稳定性及良好的抗热振性, 使得这种材料被广 泛用于固体火箭发动机喷管、喉衬, 火箭重返大气层 系统的防护罩以及导弹的端头帽。
1 烧蚀机理
C C 复合材料的烧蚀过程与很多因素有关, 而 且各种因素也并非是孤立的, 相互之间存在复杂的 影响。 烧蚀大体上可分为热化学烧蚀和机械剥蚀两 部分, 前者指碳的表面在高温气流环境下发生的氧 化和升华, 后者指气流压力和剪切力作用下因基体 和纤维的密度不同, 造成烧蚀差异而引起的颗粒状 剥落或因热应力破坏引起的片状剥落。 (1) 碳的热化学烧蚀机理 在较低温度下, 碳首先氧化, 氧化过程开始是速 率控制, 氧化率由表面反应动力学条件决定。随着温 度升高, 氧化急剧增加, 氧气供应逐渐不足, 以致使 氧气向表面的扩散过程起控制作用。在更高温度下, 碳氮反应以及碳升华反应逐渐显著, 升华过程也是 由速率控制过渡到扩散控制。 一般情况下, 当温度大于 1000 K 时, CO 2 的浓 度很小, 碳的氧化生成物几乎全是 CO 气体[1], 表面
(2) 机械剥蚀机理
假如面上的热流分布均匀, 由于基体的密度比
纤维的密度小, 故基体烧蚀得较快。 但是, 材料处于
流场中, 露在面外的纤维长度受到剪切力和涡旋分
离阻力的制约, 在剪切力和涡旋分离阻力的作用下,
纤维开始粒状的剥落, 如图 1 所示。
图 2 热应力引起剥落物理模型 F ig. 2 T he physical model of denudation caused by therm al stress
C C 复合材料烧蚀性能分析
黄海明, 杜善义, 吴林志, 王建新
(哈尔滨工业大学 复合材料研究所, 哈尔滨 150001) 摘 要: 阐述了 C C 复合材料性能的优越性及烧蚀机理, 并建立了剥蚀机理的物理模型; 讨论了环境影响和表面 粗糙度的生死循环, 并且分析了 C C 的机械剥蚀和热化学烧蚀, 得到了一些启示。这为热防护领域做了些有益的探 讨。 关键词: C C 复合材料; 烧蚀机理; 物理模型 中图分类号: V 435. 14 文献标识码: A