高硅氧/酚醛复合材料热变形实验测试及表面烧蚀形貌分析

通过非接触式高温变形测量系统,对高硅氧/酚醛防/隔热复合材料在单侧热流载荷作用下的温度和全场高温变形进行了精确测量,并对试样体积烧蚀后的表面微观形貌进行分析。实验结果表明,利用陶瓷板在1 000℃左右对高硅氧/酚醛复合材料试件辐射加热200 s后,通过测量发现距离加热面12.62 mm处热电偶温度峰值为259℃,从而说明高硅氧/酚醛复合材料具有优良的防/隔热性能。通过DIC方法测得试样加热200 s后沿加热方向的最大位移为0.18 mm,且沿着试样加热方向位移呈现出逐渐递减的规律。通过对材料烧蚀后表面形貌微观观测和分析,发现在试样加热面上出现了凹凸不平的烧蚀坑,并出现了一层很薄的高硅氧纤维高温熔融后的硅氧化合物颗粒结晶状物质。     

高硅氧/酚醛复合材料烧蚀环境下的吸热机理

通过分析高硅氧/酚醛复合材料烧蚀过程中的吸热机制,结合表面烧蚀理论和边界层空气动力学关系,应用质量引射影响系数的半经验公式,建立了烧蚀环境下吸热机理的理论预报方法,并利用氧乙炔焰动态烧蚀实验对该理论预报方法进行了验证。根据烧蚀过程达到稳态时烧蚀材料表面的能量守恒原理,推导了各吸热机理与总吸热量的比重关系,在给定的烧蚀环境工况下,预报了各吸热机理占总吸热量的比重。结果表明,熔融高硅氧纤维的蒸发吸热对总吸热量的贡献最大,所占比重为44.9%,是主要的吸热机制;材料的热容吸热和烧蚀材料向外界环境的热辐射占总吸热量的比重分别为22.3%和20.1%;树脂热解吸热所占比重很小,仅为1.0%,但热解气体引射进入边界层产生热阻塞效应占总吸热量的比重较大,为11.7%。     

轴棒法编织C/C复合材料的热物理及烧蚀性能

采用轴棒法编织三维四向炭纤维预制体,经高压沥青浸渍炭化致密化工艺(HIPIC)制得高密度4D C/C复合材料,研究了材料轴向的热物理性能、抗烧蚀性能,并分析了材料的烧蚀机理.结果表明,轴棒法编织C/C复合材料轴向的热扩散率随着温度的升高而降低,比定压热容随温度的升高而增大,热导率随温度的升高缓慢下降,且材料的热物理性能...     

高硅氧增强塑料的烧蚀理论及试验结果

本文对在气动加热和剪切力作用下的高硅氧增强塑料的烧蚀问题进行了理论探讨,分析了这种材料在烧蚀中所产生的物理,化学过程特性。以高超音速再入大气层的头锥体,其烧蚀表面具有熔化、气化、塑料分解和表面化学反应等过程,二氧化硅形成流动的液态层,树脂的气体产物通过多孔的碳化层和液态层进入附面层中。质量引射到附面层的效应降低了气动热交换和剪切力。 烧蚀理论由电弧加热器的层流驻点实验所证实,驻点烧蚀速度和表面温度的理论值与实验值相差在15％以内。     

固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

铝水推进剂用铝基复合材料的制备及性能研究

通过比定压热容、热导率、热扩散率、电阻率和差热分析(DTA)等测试,考察了3种不同添加剂对铝水推进体系用铝基复合材料性能的影响。结果表明,添加剂b的加入,明显改善了铝基复合材料的性能:降低了铝基复合材料的启动温度,该材料在常温下与水反应剧烈,释放出明亮的火焰;提高了铝基复合材料的比定压热容,在-50~20℃温度范围内,比定压热容由0.65~0.75 J/(g.K)提高到0.95~1.1 J/(g.K);改善了铝基复合材料的导电、导热性能,热导率由3.938 1 W/(m.K)提高到5.039 6 W/(m.K),电阻率由0.013 6Ω.m降到0.013 1Ω.m。     

热熔法预浸料成型技术在扩散段上的应用

对采用热熔胶膜法制备的高硅氧/酚醛和碳纤/酚醛预浸料及复合材料进行了研究。高硅氧/酚醛预浸料的百分流动度为20.4%,挥发份和树脂含量分别为5.2%和29.7%;碳纤/酚醛预浸料的百分流动度为28.9%,挥发份和树脂含量分别为5.8%和40.5%。对比分析了由热熔胶膜法和溶液法制备预浸料成型的碳纤/酚醛复合材料层压板的性能,采用热熔胶膜法制备的层压板的层间剪切强度提高了17.4%,拉伸强度和弯曲强度增加了45.3%和42.1%。氧乙炔线烧蚀率仅为溶液法的1/3。将其用于制备固体火箭发动机的扩散段,随炉试验件的性能评价表明:不仅热性能和力学性能优异,而且批次稳定性好,有助于降低热防护层的厚度,减轻火箭、导弹等的总体质量,对提高武器装备的性能具有重要的意义。     

背壁5-II材料高温热物理性能及微结构特征

研究了背壁5-II材料的密度、失重率和孔隙率随温度的变化规律,测试了温度对比定压热容、热导率的影响,研究了不同温度下和发动机长时间热试车下5-II材料的微结构特征。结果表明,5-II材料密度随温度升高而降低,热解后密度降至1.28 g/cm3,开孔率在30%左右;比定压热容随温度升高而增大,热导率随温度缓慢降低;随温度升高,其微结构特征表现为孔隙的大量增加和贯通,密度和孔隙率可作为固体发动机背壁热解失效的主要参量。     

喷管内衬碳／酚醛的烧蚀模型

本文根据气动热化学烧蚀机理建立了固体火箭喷管内衬碳/酚醛的炭化烧蚀模型,并进行了扩张段的烧蚀率和温度分布预示计算.碳/酚醛受热时形成炭化层、热解层和基体层,主流和热解气体中具有氧化性的组分在表面与碳发生异相反应,材料的消耗带走了大量的热,有效地保护了基体.采用化学动力学控制的三方程模型、建立了化学反应质量计算方程;采用多层复合结构的瞬态导热方程和坐标变换的方法处理烧蚀移动边界,温度场计算方程;由壁面上的能量守恒关系,取得了烧蚀和温度场的耦合.通过计算,获得了烧蚀率、壁温随时间和沿喷管扩张段长度的变化,以及喷管扩张段材料内部的温度分布.导热方程用隐式格式求解,大大节省了计算机时.     

高超飞行器用C/SiC-ZrC复合材料力学及烧蚀性能研究

以PZC为有机锆先驱体原材料,采用A,B,C三种PIP工艺路线制备了不同ZrC含量的C/Si C-ZrC复合材料,并对C/Si C-ZrC复合材料的组成、微观结构、力学性能、烧蚀性能及作用机理进行了测试和分析。结果表明,有机锆先驱体制备的C/Si C-ZrC复合材料烧蚀性能有大幅提高,但其力学性能却存在一定程度的下降,并且随着ZrC含量的增加,C/SiC复合材料的力学性能呈现出逐渐降低的趋势,其质量烧蚀率和线烧蚀率呈现出先减小后增大的趋势。     

硝化羟烷基纤维素的制备及其力学性能

为克服硝化纤维素NC低温力学性能差的缺点,合成羟烷基纤维素HEC,然后在HNO3/CH2 Cl2混合体系中对HEC硝化,进而制备硝化羟烷基纤维素NHEC,分析不同配比的硝化体系对产品氮量的影响,接着对NHEC系列产品进行动态力学分析(DMA),研究醚化度及酯化度对玻璃化转变温度的影响,最后对NHEC样品进行了拉伸测试.研究表明,若要合成高氮量NHEC,HNO3的含量应适中,含量少硝化不够充分,含量多产生凝胶,阻滞硝化反应向HEC里层扩散,反而降低产品氮量;根据DMA结果,与NC相比较,NHEC具有较好的柔性,较低的玻璃化转变温度,且醚化度越高,玻璃化转变温度越低;拉伸测试说明,NHEC在低温下韧而强,改善了NC低温发脆的缺点.     

HNIW的燃烧性能研究

采用固体推进剂燃烧过程实时监测与燃速测定系统对硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)的燃烧性能和催化燃烧性能进了研究;在固体推进剂燃烧火焰温度分布测试系统中,采用对强度法对HNIW的燃烧火焰温度分布进行了测定。结果明,HNIW在低压强范围内(1-6MPa,7-13MPa,1-13MPa)有较高的压强指数,15-19MPa的压强范围内,存在一平台烧区。在1-13MPa的压强范围内催化剂OME能显著地降HNIW压强指数;HNIW的最高燃烧火焰温度随压强的升高近于理论燃烧温度,说明相对光强法更适合于测定高压条件高燃速推进剂的燃烧火焰温度分布。     

条形碳化硅纤维的制备与性能

使用异形喷丝板通过熔融纺丝制备出条形聚碳硅烷原纤维,然后经不熔化及高温烧成得到条形碳化硅纤维。通过X射线衍射仪分析了条形碳化硅纤维的构成、强度及电磁性能。结果表明,条形碳化硅纤维主要由β-SiC和无定形SiC组成,纤维的当量直径为20~31μm,拉伸强度为0.8~2.4 GPa,介电常数实部ε′为6.2~6.8,虚部ε″为2.5~3.3。条形碳化硅纤维可用作结构吸波材料。     

气体性质对气动增压器性能的影响

气动增压器的动作频率是一个重要的性能参数。当气动增压器结构确定后,频率直接决定推进剂流量等参数。同时,气动增压器的动作频率体现在推进剂出口管路压力的波动上,对出口压力的稳定性有很大影响。研究气动增压器的动作频率,有助于合理选择频率参数,以及气动增压器结构参数和性能参数的匹配。为了研究增压气体性质对气动增压器工作性能的影响,建立了数学模型,利用AMESim软件对气液活塞的工作过程进行了仿真。仿真结果与试验数据对比,一致性较好。     

橡胶老化性能的神经网络研究方法

运用神经网络方法,建立了预测橡胶老化性能的计算模型。运用该模型计算了“O”型橡胶密封圈在不同时间下的老化性能,并与实验结果进行了比较。结果表明,该模型精度较高,在固体火箭发动机研究方面具有较好的工程应用价值。     

聚氧化乙烯粘合剂推进剂力学性能研究

对聚氧化乙烯(PEO)为粘合剂硝酸酯增塑的高能推进剂配方力学性能进行了研究。研究了键合剂BS、交联剂JC、固化剂、粘合剂分子量和官能度等因素对推进剂力学性能的影响。结果表明,PEO粘合剂推进剂具有较好的力学性能,达到了20℃时σm≥0．7MPa,-40～70℃时εm≥70％。因此,PEO可用作硝酸酯增塑推进剂的粘合剂。     

磁力矩器用磁性材料力学性能研究

为确定用于磁力矩器的铁镍合金、铁钴合金和铁铝合金3种磁性材料的力学性能,对它们进行了力学拉伸试验,发现材料塑性不同会对试件断裂位置产生一定影响,主要表现为塑性材料在设计薄弱部位断裂,而脆性材料在夹持应力集中位置断裂。根据这一结果,对拉伸试验进行有限元模拟分析,计算结果表明导致断裂位置差异的原因主要是设计薄弱部位的长度以及试件夹持部位出现应力集中。依据有限元计算结果,对试件进行了改进设计并重新模拟计算,结果显示,改进后的3种合金材料试件在拉伸试验中其断裂部位均出现在设计薄弱部位。铁钴合金试件改进后的拉伸试验也充分验证了模拟计算的准确性。由此给出了3种材料合理的力学性能参数。     

C/SiC刹车材料的摩擦磨损性能

通过化学气相渗透结合反应熔体浸渗法制备了三维针刺C/SiC刹车材料,利用光学显微镜、SEM和XRD研究了材料的组织结构,并通过电模拟惯性试验台测试了全尺寸C/SiC飞机刹车盘的摩擦磨损性能。结果表明,C/SiC刹车材料由35%~65%C,25%~55%SiC和约10%Si组成,SiC和Si主要分布在短纤维胎网层。在刹车压力相同时,随着初始刹车速度的增大,材料的平均摩擦系数先增大后减小,当初始刹车速度为150 km/h时,摩擦系数达最大值;当初始刹车速度相同时,摩擦系数随着刹车压力的增大而减小;材料平均磨损率约为1.0×10-3mm/(side.time)。在飞机正常着陆条件下,材料的刹车力矩与刹车速度间的关系与飞机防滑刹车系统的着陆响应相匹配,使得该材料具有较高的刹车效率。