高硅氧-酚醛復(fù)合材料體積燒蝕條件下的熱-力-化學(xué)多物理場耦合分析.pdf

1、近年來，隨著國家航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，對飛行器防/隔熱材料的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。作為一種防/隔熱功能一體化材料，高硅氧/酚醛復(fù)合材料以其優(yōu)良的防/隔熱和耐燒蝕性能，以及成本低廉、工藝簡單等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于高超聲速飛行器的熱防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)中。在輻射熱流載荷作用下，高硅氧/酚醛復(fù)合材料的體積燒蝕行為是一個(gè)復(fù)雜的傳質(zhì)-傳熱過程，包括酚醛樹脂的熱解反應(yīng)、材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、熱解氣體的擴(kuò)散、材料熱變形以及熱阻塞效應(yīng)和材料的輻射散熱效

2、應(yīng)，高硅氧/酚醛復(fù)合材料的體積燒蝕行為看作是一個(gè)熱-力-化學(xué)多物理場耦合的作用過程。由于高硅氧/酚醛復(fù)合材料纖維相和基體相熱膨脹系數(shù)的不匹配性，材料內(nèi)部將產(chǎn)生較大熱應(yīng)力并且在局部分布不均勻，而局部應(yīng)力集中會直接影響材料的安全性和可靠性，因此對材料在高溫條件的局部熱變形和熱應(yīng)力等方面還需要進(jìn)行準(zhǔn)確分析和計(jì)算。由于三維多物理場耦合計(jì)算的復(fù)雜性，在以往也很少有文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)道。為了滿足實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)性能分析的需求，急切需要開展三維的熱-力-

3、化學(xué)多物理場耦合計(jì)算模型及相關(guān)計(jì)算方法的研究。
　　本文首先研究高硅氧/酚醛復(fù)合材料體積燒蝕條件下的吸/放熱機(jī)理，以及酚醛樹脂熱解后熱解氣體的熱阻塞效應(yīng)?；谠摲罒釓?fù)合材料體積燒蝕條件下的防/隔熱機(jī)理，建立包括碳化層、熱解層、原始材料層在內(nèi)的體積燒蝕模型。推導(dǎo)了具有橫觀各向同性特性的高硅氧/酚醛復(fù)合材料體積燒蝕條件下的耦合控制方程。
　　其次利用數(shù)字圖像相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DIC）、熱電偶測溫系統(tǒng)和基于氧乙炔焰的輻射熱流實(shí)驗(yàn)?zāi)M系

4、統(tǒng)對高硅氧/酚醛復(fù)合材料試樣進(jìn)行了高溫變形測試，同時(shí)對試樣燒蝕表面形貌和表面生成物進(jìn)行了微觀觀測。得到試樣特定點(diǎn)處的溫度時(shí)間歷程曲線以及試樣全場的變形分布，利用SEM設(shè)備對試樣燒蝕面上結(jié)晶熔融狀物質(zhì)進(jìn)行了能譜分析。
　　最后基于高硅氧/酚醛復(fù)合材料體積燒蝕條件下的熱-力-化學(xué)耦合控制方程和COMSOL商用有限元軟件，建立該材料單側(cè)輻射熱流載荷作用下的三維熱力學(xué)響應(yīng)模型。預(yù)報(bào)了材料單側(cè)輻射熱流載荷作用下的溫度場、變形場、氣體壓力場、