C_C复合材料烧蚀性能分析_黄海明.pdf
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1、文章编号:1000-3851(2001)03-0076-05收稿日期:2000-09-25;收修改稿日期:2000-11-22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。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
2、;烧蚀机理;物理模型中图分类号:V435.14文献标识码:AANALYSISOF THE ABLATION OF C/C COMPOSITESHUANG Hai-ming,DU Shan-yi,WU Lin-zhi,WANG Jian-xin(Center for Composite Materials,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China)Abstract:T he advantage and the ablation mechanism of C/C composites are demonstrated.A phys-ical
3、 model of mechanical-ablation is established mainly in terms of both the thermoelasticity mechanicsand fracture mechanics.T hen,the influence of environment and the appearance and disappearance ofsurface roughness are discussed.The mechanical ablation and thermo-chemical ablation of C/C com-posites
4、are analyzed.All these make some helpful discussion for thermal protection materials.Key words:C/C composites;ablation mechanism;physical modelC/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
5、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-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
6、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,CO2的浓度很小,碳的氧化生成物几乎全是 CO 气体 1,表面复 合 材 料 学 报ACTA MATERIAE COM
7、POSITAE SINICA第 18 卷 第 3 期 8 月 2001 年Vol.18No.3August 2001氧化反应式O-+C(s)CO(1)其中:O-为氧分子和氧原子。在速率控制区,氧化质量烧蚀率-m?=k0e-ER?TM-wMOpe12(2)在扩散控制区,氧化质量烧蚀率-m?=m?O-(扩散)(3)其中:R?为通用气体常数,M-w为壁面上平均气体分子量,MO为氧的分子量,pe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/cm2s(atm)12,E=42.3 kcal/mol。在升华速率控制区,由分子运动理论得碳的最大升华率为-m?E=?E
8、?ME2?R?T?Kp e,E=C1 C5(4)其中:lgKpe=a+bT(K),?E,a,b 可由文献 4 提供,ME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。-m?=?c(0)?B(5)其中:B 为传质系数,?c(0)为流场影响因子。(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1剪应力等引起剥落物理模型Fig.1The physical model of denudationcaused
9、by shearing strength,etc在短时间内、超高热流的作用下,材料表面(TwT1)区的温度场按指数规律分布;碳纤维的强度随温度的升高而升高,当温度升高到一定值时,碳纤维的强度迅速下降,也可以这样认为,当超过某一温度时,碳纤维与基体的强度几乎没有差别,由纤维的高温性能推测,超过某一温度时,碳的晶体转变无定型炭,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
10、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。T0T1,强度高,并且不断增高,而 T1Tw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。图 2热应力引起剥落物理模型Fig.2T he physical model of denudation caused by thermal stress2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=?(Te-Tw)(6)其中,战略导弹端
11、头帽再入是高马赫数的再入体,?0.5 kcal/m2sK,而 Te大约为 1000 K。在火箭喷管中,?2.4 kcal/m2sK,Te3300 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 复合材料为什么能够在火箭喷管中得到特别有效的应用。在火箭喷管中,C/C 复合材料的烧蚀机理主要是氧化和剪切力引起的颗粒剥蚀(如图 1),其烧蚀率较低;而在高马赫数的再入体表面,由于热流 q 过大,并且是短时间内的,所以,其表面的烧蚀机理主要是热应力引起的77黄海明
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