陶瓷多孔体渗透率的实验研究

对三种孔隙率不同的陶瓷多孔材料的渗透率进行了实验研究,并根据直毛细管模型对陶瓷多孔材料的某些特性（孔隙平均直径,比表面积）进行了估算,对所得结果作了初步分析并提出了需进一步研究的问题。     

多孔陶瓷氢气发汗冷却特性研究

为了研究复合材料微孔发汗冷却热防护技术,研究了冷冻浇注成型工艺定向直孔道碳化硅多孔陶瓷在高压高热流密度时氢气的发汗冷却特性。用电弧加热主流空气产生高温燃气、氢气发汗冷却对多孔陶瓷材料进行了13次热试验研究。试验的材料孔隙率为10~28%,燃烧室压力为3.6~7.9MPa,冷却氢气注入率为0.008~0.021。试验表明,当多孔陶瓷材料氢发汗冷却的注入率为1%时,主流高温燃气与微孔壁面之间的换热减少了30%以上。多孔陶瓷材料氢发汗冷却可以有效减小壁面与燃气之间的对流热流。研究得出了陶瓷多孔材料在高压大热流环境下用氢气发汗冷却的性能关联式。     

多孔介质有效导热系数的计算方法

高孔隙率多孔介质如泡沫陶瓷在新型多孔介质燃烧器技术中应用日益广泛,其重要传热特性参数--有效导热系数反映了两相流气、固相导热、对流和辐射的综合效应,对其研究尚非常缺乏.本文基于实验测定的温度分布,给出多孔介质有效导热系数的初始估值,用有限体积法求解二维控制方程,采用二维寻优搜索的办法,确定使测定点上测量与计算温度均方根误差为最小的径向与轴向有效导热系数,是一种逆计算方法.对球粒子颗粒床进行的有效性试验证明了方法的可行性.     

加权变系数的瞬态导热有限元法

研究了两点时间差分格式的瞬态导热温度场有限元法数值解的稳定性和振荡现象,推导出消除振荡的方法:将时间差分格式的加权系数σ与时间步长△t分别和温度振荡联系起来,得出变σ和变△t的函数关系式。      

三维网络碳化硅多孔陶瓷的制备

以中间相沥青添加55%(质量分数,下同)的Si粉混合物为原料,制备了含Si的炭泡沫模板。在高温反应烧结炉中,氩气气氛下1500℃保温1～6h,结合反应烧结工艺制备了碳化硅多孔陶瓷。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析仪(XRD)对碳化硅多孔陶瓷的微观形貌、物相组成进行了观察,并对熔融Si与C的反应机理进行了探讨。结果表明:碳化硅多孔陶瓷的微观结构与炭泡沫模板的微观结构一致,烧结温度1500℃下,随着保温时间的延长,多孔陶瓷的弯曲强度先增大后减小,而孔隙率先减小后增大;在保温4h的条件下制备的碳化硅多孔陶瓷主要由β-SiC相组成,最大弯曲强度为26.2MPa,对应的孔隙率为45%。内部熔融的Si与外部熔融的Si同时与C反应生成SiC,最后两者结合在一起形成致密的SiC多孔陶瓷。     

多孔陶瓷制备工艺及性能研究

回顾了多孔陶瓷材料传统的制备工艺方法,比较了不同方法之间的优缺点。列举了获得特殊孔结构的新型工艺方法,这些方法均能明显地改善多孔陶瓷的性能。概述了多孔陶瓷的力学性能、渗透性、隔热性能等的表征方法,并对今后的研究前景和发展作了展望。     

多孔毛细陶瓷稳定器背后火焰和回流区分析

多孔毛细陶瓷稳定器背后产生火焰是我们多次观察到的现象。通常认为,此处为高速区,不可能有火焰存在。经过反复观察分析认为：这是陶瓷的多孔毛细特性渗油蒸发的结果,产生强化燃烧效应,对组织燃烧有利。也由于陶瓷多孔毛细的作用,陶瓷稳定器后的回流区亦有别于传统钝体稳定器的回流区。逆流区不复存在。稳定火焰的机制也有不同,对组织燃烧亦将产生有利的影响。这些将使燃烧室的工作得到强化或改善。     

有序多孔磁性碳化硅陶瓷的制备

采用聚二甲基硅烷(PDMS)和二茂铁合成了聚铁碳硅烷(PFCS).以有序氧化硅凝胶小球为模板、PFCS作先驱体,经过先驱体的渗入、不熔化、陶瓷转化和除去模板,制得氮气吸附法(BET)比表面积为703.46 m2/g的有序多孔含铁碳化硅SiC(Fe) 性陶瓷.     

预烧结对反应烧结多孔氮化硅陶瓷性能的影响

研究了预烧结对反应烧结多孔氮化硅陶瓷的介电性能和力学性能的影响。通过添加30wt%的成孔剂颗粒,制备出孔隙率在55%左右的具有宏观球形孔的多孔氮化硅陶瓷。反应烧结前,在低于硅熔点的温度下,对多孔硅坯体进行不同温度和不同时间的预烧。结果表明,随着预烧结温度的增高和时间的加长,反应烧结后烧结体的强度明显提高,介电常数ε′和介电损耗tanδ都有小幅度的增加。在硅粉中添加5wt%Y2O3 5wt%Al2O3进行预烧,可以减小反应烧结后试样的ε′,并且随预烧结时间的增加而减小。     

氧化钇稳定氧化锆多孔陶瓷的制备与性能

以叔丁醇为溶剂,采用凝胶注模成型方法,制备出防/隔热的摩尔分数为8%Y_2O_3-ZrO_2(8YSZ)多孔陶瓷.在浆料中初始固相含量固定为10%体积分数的基础上,研究了烧结温度对8ySZ陶瓷材料的气孔率、开气孔率、孔径尺寸分布及显微结构的影响,分析了压缩强度、热导率与结构之间的关系.通过改变烧结温度,所制备的8YSZ多孔陶瓷的气孔率为65%～74%,孔隙分布均匀,平均孔径为0.68～1.82μm,压缩强度为7.92～13.15 MPa,室温热导率[最低可达0.053 W/(m·K)],比相应的致密陶瓷[～2.2 W/(m·K)]低一个数量级,且随着气孔率的增加而降低.     

三维瞬态导热温度场边界元计算及一阶数学奇异的处理

推导了三维瞬态导热温度场边界元解法的积分方程和离散代数方程,并编制了相应的计算机程序,采用坐标变换的解析消去法,处理边界元的一阶数学奇异点,从而提高了算法的数值精度。用本程序计算了正方体和圆柱环瞬态导热温度场,数值解与解析解的吻合程度令人满意。     

粘结剂对石墨材料的物理性能及微观结构影响的研究

用煅烧石油焦和煤焦油为基本原料,采用热压工艺制备了几种石墨材料。考察了粘结剂对石墨材料传导性能的影响。实验结果和微观结构分析表明,在相同工艺条件下,采用喹啉不溶物（QI）含量适中（5．2％,质量分数）的沥青作粘结剂,有利于石墨微晶的发育和排列,使石墨材料的传导性能得到提高,而采用QI含量过多或过少的沥青作粘结剂,都不利于石墨材料的传导性能。     

界面层及其建模方式对编织结构CMC材料导热系数影响研究

针对编织结构陶瓷基复合材料（Ceramic matrix composite,CMC）中基体、纤维束和界面层等组分的不同传热特征,以及考虑到界面层结构极薄的尺寸特征,探究了界面层及其在细观结构代表单元中的引入方式对编织结构CMC材料内部热量传输特征和各向异性导热系数的影响。研究中对比分析了不考虑界面层、含隐式界面层和含显式界面层等三种代表性体积单元模型的温度场、热流密度场及各向异性等效导热系数,获取了界面层导热系数对CMC材料整体导热系数的影响规律。研究结果表明：编织结构CMC材料内部温度场存在明显的不均匀性,不同模型计算获取的热流密度场具有明显区别。同时基于三个模型获取的各向异性导热系数也具有较大差异,显示界面层方法预估精度较高。此外,随着界面层导热系数增加,CMC材料整体各向异性导热系数明显增加,其对水平经纱Y方向上等效导热系数的影响最大。     

纳米超级隔热材料的设计与制备

从纳米超级隔热材料的组成及微观结构角度分析了降低材料热导率的途径,提出了降低纳米超级隔热材料热导率的一般原则,制备了SiO2及SiO2-Al2O3纳米超级隔热材料并对材料的孔结构进行控制.结果表明:SiO2和SiO2-Al2O3纳米超级隔热材料具有均匀的多孔结构,Al2 O3的加入提高了SiO2纳米超级隔热材料的热稳定性,且不会破坏材料的多孔结构,室温热导率仅为0.02 W/(m·K),提出了Al2O3改善SiO2纳米超级隔热材料热稳定性的机理.     

定向高导热碳材料及其热管理结构设计

针对高超声速飞行器的特点,分析了热防护系统中应用高导热材料实现热管理的必要性。通过对碳材料石墨片层结构的热传导机理及其各向异性特征进行分析和讨论,提出了利用高导热碳材料进行疏导式热管理的思路,并根据碳材料的结构特点设计了几种可能的热管理结构模型。     

微孔纳米板与陶瓷纤维板热导率对比研究

文摘采用非稳态热线法测试了微孔纳米板与陶瓷纤维板在RT~1 000℃区间热导率,利用SEM微观形貌与荧光光谱成分分析,结合微观导热机理对测试结果进行了分析。结果表明:纳米板热导率分布在0.03~0.1 W/(m·K)区间,纤维板为0.055~0.25 W/(m·K);两种材料热导率均随着温度升高而增大,且规律均为先缓后急,不同的是,纤维板热导率在300℃以后开始急剧增大,而纳米板在550℃之后才开始较快增长;纳米板整体上升趋势缓于纤维板,温度越高,两者热导率差异越大。分析认为纳米尺寸的固体颗粒及内部气孔是纳米板拥有低热导率的关键因素。     

导热增强型相变材料温控试验

为满足高超声速飞行器舱内温度要求,提出了在舵轴热短路区域使用相变材料进行热耗散的方案.通过开展导热增强型相变材料温控试验,获得了不同试验方案对舵轴及周围金属壳体的降温效果.结果表明,导热增强型相变材料由于良好的导热性能,能够很好地发挥相变吸热能力,对降低舵轴热短路区域的局部高温具有显著效果;金属壳体内、外同时使用低温和中温相变装置,能够将舵轴周围金属壳体温度控制在允许工作温度范围内(150℃).本研究可为飞行器舵轴温控设计提供指导.     

陶瓷基复合材料编织结构参数对气膜冷却效果影响研究

针对陶瓷基复合材料(CMC材料)在航空发动机高温部件中应用时的冷却需求,考虑到CMC材料内部非均质非均匀结构和热物性特征与均质金属材料的巨大差异,探究了CMC材料编织结构几何参数对气膜综合冷却效果的影响,研究中以三维五向编织CMC材料为例,建立了反映材料内部细观编织结构的平板气膜全尺寸计算模型,从细观纱线尺度引入各组分热物性参数,计算分析了不同编织角度和纤维束截面尺寸等几何特征参数对气膜综合冷效的影响规律.研究结果表明,纤维束由于导热系数相对较高成为平板内部的主要热量传输通道,编织角发生变化时纤维束方向也随之改变,进而影响材料内部热量传输通道及整体各向异性等效导热系数.本文计算工况下,在气膜孔下游0～10D(D为气膜孔直径)区域,编织角度为40°时气膜综合冷效相对较高;在远离气膜孔区域,气膜板的冷却效果随着编织角度的增大而减弱.纤维束截面尺寸的改变对气膜综合冷效的影响较小,但是随着纤维束截面尺寸的增加,平板内部温度更加均匀.     

基于热阻法的多层热障涂层叶片隔热预测模型研究

为实现有热障涂层(TBCs)的叶片表面温度预测,开展基于热阻法的热障涂层隔热理论分析,建立了TBCs隔热理论模型,模型包括有热障涂层叶片表面温度预测式(VT-TBCs)和热障涂层隔热温度预测式(IT-TBCs),并分别基于IT-TBCs和仿真分析了陶瓷层(TC)、粘结层(BC)的厚度、导热系数对隔热温度的影响.结果表明:与数值仿真结果相比,VT-TBCs的计算结果最大误差不超过3%,平均误差为0.65%.通过IT-TBCs分析可知,导热系数小于0.5 W/(m·K)时,热障涂层厚度与隔热温度趋近对数关系,当导热系数大于0.5 W/(m·K)时,热障涂层厚度与隔热温度趋近线性关系,BC层的导热系数与厚度对隔热温度基本无影响.仿真分析结果与IT-TBCs分析结果一致.