高硅氧-酚醛復(fù)合材料的燒蝕機(jī)理及熱-力學(xué)性能研究.pdf

1、隨著長(zhǎng)時(shí)間飛行器需求的不斷增長(zhǎng),對(duì)長(zhǎng)時(shí)間中低熱流環(huán)境下的熱防護(hù)材料需求也越來(lái)越迫切。作為樹(shù)脂基防熱材料的一種,高硅氧/酚醛復(fù)合材料具有較低的密度和熱導(dǎo)率、優(yōu)良的吸熱能力、耐燒蝕性能和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn),且成本低廉、工藝周期短、高溫性能優(yōu)異。該類(lèi)型材料既能適用于長(zhǎng)時(shí)間飛行、中等焓值、中低熱流的防熱要求,又能耐長(zhǎng)時(shí)間燒蝕和高氣流剪切,且具有較好的隔熱性能,因而被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)時(shí)間飛行器的燒蝕熱防護(hù)。在高溫環(huán)境下,高硅氧/酚醛復(fù)合材料會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物

2、理-化學(xué)變化和燒蝕-相變過(guò)程,包括酚醛樹(shù)脂的熱解反應(yīng)、熱解氣體的擴(kuò)散流動(dòng)、孔隙壓力、熱阻塞效應(yīng)、熱膨脹現(xiàn)象、邊界移動(dòng)等過(guò)程。另外,氣動(dòng)加熱會(huì)使防熱材料及其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱變形,且在氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱載荷作用下防熱材料的強(qiáng)度和承載能力也會(huì)有明顯的衰減。因此,有必要研究高硅氧/酚醛復(fù)合材料在長(zhǎng)時(shí)間中低熱流環(huán)境下的燒蝕防熱機(jī)理,預(yù)報(bào)材料的燒蝕性能及高溫?zé)崃W(xué)性能,對(duì)該類(lèi)型復(fù)合材料防熱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、完整性及可靠性評(píng)價(jià)有重要的意義。
　　本文系統(tǒng)研究

3、了高硅氧/酚醛復(fù)合材料在燒蝕環(huán)境下的質(zhì)量損失機(jī)理及吸熱機(jī)理,基于表面燒蝕理論和氣體邊界層理論,建立了防熱材料的表面燒蝕性能預(yù)報(bào)方法,根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原理,建立了聚合物基復(fù)合材料熱-力學(xué)行為的多場(chǎng)耦合模型,給出了防熱材料的高溫剛度和強(qiáng)度性能預(yù)報(bào)方法,并設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)報(bào)模型的正確性。
　　首先對(duì)高硅氧/酚醛復(fù)合材料進(jìn)行靜態(tài)/動(dòng)態(tài)燒蝕實(shí)驗(yàn),通過(guò)熱失重率和吸放熱曲線研究材料在不同溫度與加溫速率下的熱解反應(yīng),利用一階Arrhen

4、ius方程,建立了防熱材料的熱解動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)燒蝕過(guò)程中材料表面的燒蝕現(xiàn)象及熱暴露后試樣切片的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè),揭示了高硅氧/酚醛復(fù)合材料在高溫環(huán)境下的燒蝕/防隔熱機(jī)理?？紤]硅基復(fù)合材料燒蝕表面的熔融液態(tài)層,預(yù)報(bào)了給定氣動(dòng)熱環(huán)境下高硅氧/酚醛復(fù)合材料的表面燒蝕后退速率、壁面溫度等燒蝕性能,預(yù)報(bào)結(jié)果與氧乙炔焰燒蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合較好。結(jié)合表面燒蝕理論和邊界層氣體動(dòng)力學(xué)關(guān)系,推導(dǎo)了材料的熱容吸熱、樹(shù)脂熱解吸熱、表面材料的熱輻射、熱阻塞效

5、應(yīng)、熔融SiO2的蒸發(fā)吸熱對(duì)材料總吸熱能力的貢獻(xiàn)權(quán)重,討論了樹(shù)脂含量、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容等對(duì)防熱材料燒蝕性能的影響。
　　其次考慮熱解過(guò)程中熱解氣體聚集和流動(dòng)造成的孔隙壓力變化及材料內(nèi)部的熱-質(zhì)傳遞過(guò)程,利用有限差分方法建立了高硅氧/酚醛復(fù)合材料在單側(cè)輻射熱流作用下的一維熱響應(yīng)模型。在模型中充分考慮了熱膨脹引起的邊界移動(dòng)和熱阻塞效應(yīng),預(yù)報(bào)了防熱材料在體積燒蝕過(guò)程中的溫度分布、孔隙壓力分布、組分相體積含量變化、熱解反應(yīng)進(jìn)行程度和氣體

6、質(zhì)量流率。以外界自然光為光源,設(shè)計(jì)了太陽(yáng)光輻射加熱實(shí)驗(yàn),測(cè)量了單側(cè)熱流載荷下高硅氧/酚醛復(fù)合材料試樣不同厚度位置處的溫度變化曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了熱響應(yīng)模型的正確性。
　　聚合物基復(fù)合材料的熱化學(xué)分解過(guò)程是一個(gè)熱-力-化學(xué)多場(chǎng)耦合問(wèn)題。根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原理,充分考慮溫度/擴(kuò)散/變形的耦合作用,建立了多孔彈性體高溫環(huán)境下熱-力學(xué)行為的多物理場(chǎng)耦合分析模型。應(yīng)用Bubnov-Galerkin有限元方法將高硅氧/

7、酚醛復(fù)合材料熱-力學(xué)響應(yīng)的控制微分方程改寫(xiě)為單元代數(shù)方程組。利用高斯消去法求解最終整合的整體代數(shù)方程組,預(yù)報(bào)了材料在熱流載荷下的高溫變形、熱應(yīng)變和熱應(yīng)力。基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù),設(shè)計(jì)了非接觸式高溫變形測(cè)量實(shí)驗(yàn),獲得了試樣測(cè)量表面的全場(chǎng)變形和應(yīng)變。應(yīng)變測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了多場(chǎng)耦合分析模型的準(zhǔn)確性。
　　最后考慮聚合物基復(fù)合材料因熱軟化效應(yīng)及基體熱解反應(yīng)引起的力學(xué)性能衰減,根據(jù)Mori-Tanaka方法和Eshelby等效