C/SiC材料主被动氧化烧蚀机理及计算方法研究

基于热化学平衡方法建立了任意比例C/SiC材料的主被动氧化烧蚀模型,开展了C/SiC材料氧化烧蚀机理的计算研究,并基于典型材料烧蚀试验结果进行了充分验证。计算结果表明,C/SiC材料的氧化烧蚀特性取决于表面温度、氧分压以及组分等因素,可能会出现主动氧化和被动氧化两种破坏机制,目前的烧蚀模型能够预测出任意比例C/SiC材料两种氧化烧蚀机制的转换过程;SiC含量对C/SiC材料的氧化烧蚀特性有明显的影响,随着SiC含量的提升,主/被动氧化转换临界分压会减小,材料的抗氧化性能越好;但当材料均处于主动氧化阶段时,SiC含量越高材料的无量纲烧蚀速率越大,材料的抗烧蚀性能减弱。     

C/C喉衬热反应边界层内组分分布数值分析

为研究C/C喉衬热反应边界层内的组分浓度梯度变化规律,基于C/C喉衬的热化学烧蚀理论,建立了组分输运方程。采用有限速率化学反应模型,对C/C喉衬热反应边界层内的组分分布进行了数值研究。计算结果表明,喷管喉部的热化学烧蚀反应最为剧烈,边界层内的热化学烧蚀反应由化学动力学与组分扩散共同控制。推进剂中含铝与否对组分分布影响较大,燃烧室压强及喷管尺寸影响较小。     

轴编C/C复合材料喉衬的多尺度烧蚀分析方法

针对轴编C/C复合材料的结构形式和烧蚀机理,建立了喷管喉衬烧蚀的多尺度分析方法。通过宏观-微观的渐进分析,获得了喷管喉衬的烧蚀率和烧蚀形貌。数值模型反映了喷管热反应边界均匀反应、流场参数、燃气传质过程和材料微观烧蚀对喉衬烧蚀性能的影响。数值计算结果和实验数据吻合较好,表明所建立的数值模型可有效预测轴编C/C复合材料喉衬的烧蚀性能。     

C/C-B-SiC复合材料的烧蚀性能研究

采用聚合物浸渗裂解法制备了C/C-B-S iC复合材料,用H2-O2焰法对其烧蚀性能进行了研究,并推测了C/C-B-S iC复合材料的烧蚀机理。结果表明,C/C-B-S iC复合材料的烧蚀率随材料密度ρ的增加呈下降趋势,ρ=1.50 g/cm3的C/C-B-S iC复合材料的线烧蚀率相当于ρ=1.86 g/cm3的C/C复合材料的61%,烧蚀时间为60 s时的质量烧蚀率相当于ρ=1.77 g/cm3的C/C复合材料。C/C-B-S iC复合材料在H2-O2焰条件下的烧蚀机制是热化学烧蚀(氧化和升华)和机械冲刷的综合作用。     

C/C复合材料微观尺度烧蚀过程质量损失速率模拟

基于水平集算法,耦合扩散方程建立了C/C复合材料在微观尺度下的2D轴对称烧蚀模型,计算了C/C复合材料的微观形貌演变过程,并将形貌演变至稳态的计算结果与C/C复合材料实际烧蚀后的微观形貌进行了对比,二者吻合较好,验证了该模型的可靠性。进而分析了气体扩散和非均匀氧化反应对纤维和基体的相对质量损失速率的影响规律。研究表明,随着Sherwood数Sh的降低纤维的质量损失速率会迅速增大,基体的相对质量损失速率会迅速降低,二者均在烧蚀形貌达到稳态前稳定;纤维和基体的相对质量损失速率达到稳态所需时间随反应速率比A的增大而增大。     

预制体中添加碳化钨的C/C复合材料结构与烧蚀性能

采用在炭纤维预制体中添加WC粉末和基体炭增密的方法,制备了添加WC粉末的C/C复合材料.采用电弧驻点烧蚀试验,考察了材料烧蚀性能,并用扫描电镜观察了其结构和烧蚀后表面形貌,探讨了其烧蚀机理.结果表明,添加WC粉末的C/C复合材料的高温烧蚀包括:C/C复合材料中炭纤维和炭基体中炭与烧蚀气流中氧化气氛的反应;WC的氧化及熔...     

三维针刺C/C-SiC复合材料的烧蚀性能

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺,制备了三维针刺C/C-SiC复合材料,使用氧气流量和乙炔流量之比为2∶1的氧乙炔焰,研究了复合材料的烧蚀性能,烧蚀时间长达600 s;分别用扫描电镜和表面能谱,分析了烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.004 3 mm/s和0.001 4 g/s。烧蚀表面不同区域微观形貌和烧蚀机理不同,烧蚀中心以基体氧化流失、C纤维的氧化以及气流冲刷为主;在过渡区域,烧蚀是以SiC基体的氧化和气流冲刷为主;烧蚀边缘则以SiC基体的热氧化为主。C/C-SiC复合材料在氧-乙炔条件下的烧蚀机制是热化学烧蚀、热物理烧蚀和机械冲刷的综合作用。     

热化学烧蚀理论在喷管碳酚醛材料上的烧蚀应用研究

针对固体火箭发动机研制中应用广泛的碳布／高硅氧布酚醛缠绕制品，采用三方程热化学烧蚀反应理论和模型，对固体火箭发动机喷管扩散段进行了热化学烧蚀研究，并在某型号发动机上进行了验证计算。研究结果表明：该计算和试验结果基本吻合，具有一定的工程指导作用。     

碳/碳复合材料喉衬烧蚀过程的数值分析及试验研究

喉衬是固体火箭发动机非常关键的部件。自20世纪60年代起,碳/碳复合材料即在固体火箭发动机中得到广泛应用。喉衬材料不仅要承受热负荷、力学负荷和热冲击,还要经受化学侵蚀。喉衬的烧蚀规律,尤其是烧蚀速率及烧蚀机理,对于火箭的研制具有重要意义。采用理论分析、数值仿真及试验研究相结合的方法,具体分析了某固体火箭发动机碳/碳喉衬的烧蚀过程。理论方面,将烧蚀划分为热化学烧蚀及机械剥蚀,建立能量平衡方程。借助商业软件MSCMarc,建立简化的边界条件,采用精确的材料参数,获得了喉衬的烧蚀速率。结果表明,喉部前端烧蚀最为严重,平均烧蚀率约为0.068 mm/s。采用微米CT三维重构技术,获得了试验前后喉衬形貌,得到了喉衬各点烧蚀率。数值结果同试验结果最大误差约为20%。考虑到数值模拟忽略了点火阶段及拖尾段对喉衬的烧蚀作用较小,数值分析得到的烧蚀率应大于实际。     

C/C-SiC复合材料的氧化行为与等效弹性性能计算模型研究

结合伴随化学反应的质量传递理论,研究了C/C-SiC复合材料的氧化机理,获得其氧化动力学模型。通过建立各材料组元(碳、碳化硅或其他材料)合理的氧化动力学方程,结合已有的C/C-SiC微结构参数化建模及性能预测技术,将氧化机理与微结构表征建模相结合,建立C/C-SiC复合材料在高温氧化环境下的弹性性能随温度、时间等参数变化动态预测模型,实现对高温环境下各种复杂构型C/C-SiC复合材料的性能预测研究。数值计算结果和实验数据吻合较好,表明该文建立的数值模型,可有效预测高温氧化环境下C/C-SiC的质量变化和等效弹性性能。     

以基于孔隙结构特征的EPDM绝热材料热化学烧蚀模型

基于对绝热材料烧蚀实验结果的观察和分析,从EPDM绝热材料炭化层微观孔隙结构特征出发,综合考虑多孔结构炭化层内的流动、传热及烧蚀过程,建立了基于炭化层孔隙结构特征的绝热材料热化学烧蚀模型和相应计算方法;对EPDM绝热材料的热化学烧蚀过程开展了数值计算,并将计算得到的质量烧蚀率与烧蚀发动机实验结果进行了比较,结果吻合较好。     

多相流环境下绝热材料烧蚀试验方法研究

为深入了解高温多相流环境中绝热材料烧蚀规律，以氧-煤油烧蚀试验系统为基础，采用氧化硼(B2O3)粉末为添加粒子，发展了一种用于绝热材料烧蚀性能测试的新方法，并进行了验证测试。结果表明：氧-煤油烧蚀试验系统的温度为500~2700 K，射流速度为200~1500 m/s，可通过调整燃烧室压力、烧蚀距离和粒子浓度等参数适应各种烧蚀工况；B2O3颗粒在高温射流中发生熔化、蒸发等相变，可用于模拟火箭发动机中的凝聚相粒子；验证试验中绝热材料的烧蚀率和烧蚀规律与其他多相流烧蚀试验结果相近。结果证明该装置可用于开展多相流环境下绝热材料烧蚀试验研究。     

C/C复合材料抗氧化性能研究进展

C/C复合材料因其耐高温、耐烧蚀、低密度、低热膨胀系数和良好的力学强度,在航空航天领域发挥不可替代的作用,但在较高温度下,却极易被氧化,从而限制了其使用范围。文章阐述了目前国内外在C/C复合材料抗氧化方面的最新研究进展,主要从抗氧化涂层和基体改性技术两种不同的提高抗氧化性能的方法进行了论述,并总结了两种方法制备的各类抗氧化C/C复合材料的烧蚀性能。最后指出了C/C复合材料在提高抗氧化性能方面存在的问题和今后的发展趋势。     

固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀研究进展

在固体火箭发动机工作过程中,由于热化学烧蚀和机械剥蚀的作用,将导致发动机喷管产生烧蚀行为,直接关系到固体火箭发动机的结构可靠性。为了较为深入地了解固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀行为及其机理,对国内外固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀研究进行了归纳和总结,详细阐明了喉衬烧蚀试验方法、喉衬烧蚀机理及喉衬烧蚀模型;总结了常用的喉衬烧蚀试验方法,并分析了各自优缺点;从热化学烧蚀和机械剥蚀两方面介绍了喉衬烧蚀模型研究进展,分析了目前喉衬烧蚀模型的研究水平。最后,对固体火箭发动机喷管喉衬烧蚀需要开展的工作提出了建议,包括发动机烧蚀率的试验评估方法,喉衬耦合烧蚀计算方法及过载条件对喷管烧蚀的影响规律等,以期为后续研究工作提供一定的借鉴和参考。     

反应熔渗工艺制备的C/C-SiC复合材料烧蚀性能及构件研制

采用反应熔渗工艺(RMI)快速制备了不同碳化硅含量的C/C-SiC复合材料,通过氧-乙炔烧蚀试验,测试了材料的烧蚀性能。利用SEM/EDS表征了复合材料烧蚀后的表面形貌和成分,分析了碳化硅含量对复合材料烧蚀性能的影响。结果表明,随着基体中碳化硅含量的提高,烧蚀过程中生成的二氧化硅保护膜更加致密,导致C/C-SiC复合材料的烧蚀率逐渐降低。在此基础上,利用优化工艺制备了密度均匀的大尺寸C/C-SiC构件,经过地面热试车考核,构件接近零烧蚀,满足发动机热试车的应用。     

C/C组合喉衬烧蚀试验方法及微观形貌对比

发展了一种C/C组合喉衬的烧蚀试验方法,采用该方法对C/C原始材料和经过热化学烧蚀后的C/C材料进行含铝工况试验,对比研究粒子对C/C材料表面微观形貌的侵蚀作用。试验表明,该方法能准确反映材料的实际烧蚀性能,确保对比材料烧蚀性能是在同工况下进行,也适用于各类不同喉衬材料的烧蚀性能对比。研究认为,热化学烧蚀起主导作用,有无粒子侵蚀对C/C材料烧蚀率的影响不大;粒子侵蚀对收敛段区域微观形貌影响最为严重,1号试件纤维单丝最尖锐,3号无锥尖形貌,2号呈圆台形貌,喉部区域无铝工况的纤维单丝比含铝工况尖锐;组合喉衬2号和3号因材料表面粗糙度的不同,造成微观形貌和烧蚀率差异,说明经烧蚀后的C/C材料再次烧蚀,其性能大幅下降,材料表面粗糙度越大,烧蚀率越大。     

石墨/AlSi耗散防热材料喉衬烧蚀试验研究

为提高石墨的耐烧蚀性能,利用压力浸渗方法将AlSi合金渗入石墨孔隙中获得石墨/AlSi耗散防热复合材料。利用小型烧蚀实验发动机开展了不同推进剂和压强工况下石墨/AlSi耗散防热复合材料喉衬和C/C喉衬的对比烧蚀试验研究,总结了推进剂铝含量、燃烧室压强对相对烧蚀性能影响,并分析石墨/AlSi耗散防热复合材料的抗烧蚀机理。结果表明,石墨/AlSi耗散防热复合材料喉衬线烧蚀率低于相同状态下C/C材料喉衬的线烧蚀率,其中在铝质量含量5%、压强12.5 MPa工况中石墨/AlSi喉衬线烧蚀率降低92%。分析认为石墨/AlSi耗散防热复合材料的抗烧蚀机理主要为:石墨孔隙内的AlSi合金通过熔化和气化相变吸收热量,降低了石墨基体的热负载;AlSi合金的熔化后在表面形成的液态膜阻碍了燃气中氧化性成分向石墨基体中的扩散;合金气化产生的Al、Si蒸气在引射作用下注入边界层,与边界层中氧化组分发生反应,降低其中的氧化组分浓度;AlSi合金氧化后形成的Al_2O_3-SiO_2玻璃态熔融层减弱燃气对喉衬机械剥蚀作用。最终石墨/AlSi耗散防热复合材料喉衬表现出优异的抗烧蚀性能。     

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.     

边界层内水介质在压差驱动下沿小孔向气腔射流问题研究

对边界层内小孔气水多相流场下射流问题开展数值仿真及定常水洞试验研究,建立了适用于边界层内压差驱动下小孔向气腔射流多相流场问题研究的数值仿真计算模型,针对典型孔参数及气水流场条件,对比分析了仿真试验数据,验证了数值仿真模型的正确性及模型计算精度。结合流体质点受力及运动模型及平板边界层理论,分析了气水域压力场特征及水域流动规律对小孔射流过程的作用机理及影响规律,开展了孔参数对射流多相流场特征及射流量的影响研究。获得了小孔射流量估算方法,为航行体上防水装置设计提供数据支撑。     

多向编织炭/炭复合材料烧蚀/侵蚀特性研究

利用以星型交流电弧加热器为核心的地面模拟系统,对多向编织炭/炭复合材料的烧蚀/侵蚀特性进行了考核,通过对材料烧蚀表面温度、烧蚀后微观结构的观察,研究了该类材料的烧蚀行为.研究发现,烧蚀/侵蚀耦合作用下,多向编织炭/炭复合材料烧蚀表面的升温速率、烧蚀平衡温度均有不同程度的增加,烧蚀平衡温度增幅约为200～300℃；多向编...