内绝热层中芳纶中空烧蚀形貌的形成机理研究

为揭示柔性内绝热层材料内有机纤维在烧蚀过程中的形貌变化规律和烧蚀机理,分别采用氧乙炔火焰、1000℃高温铁板和热失重加热等不同加热方式,初步探究了不同烧蚀形式下芳纶纤维或腈纶纤维在结炭层内部的形貌演变特征,发现经氧乙炔火焰烧蚀后芳纶增强体系的结炭层内中芳纶炭化纤维呈现中空烧蚀形貌,而腈纶增强体系的结炭层中几乎无纤维状结...     

内绝热层材料结炭层强度的表征方法

利用改装的厚度计测试结炭层的针入深度,以此来表征材料结炭层的强度,分别考察了测试次数、圆锥针半顶角大小、测试区域和加载负荷对针入深度的影响,发现当测试次数为5次、圆锥针的半顶角为15°、测试区域为距烧蚀中心3 mm的圆形区域内、加载负荷为600~800 g时,所测针入深度数据分散性小、准确度高,能充分反映结炭层的强度。同时,结合不同芳纶用量时材料结炭层的针入深度和材料烧蚀速率分析,发现利用平均针入深度表征结炭层的强度,可科学地考察绝热层材料的耐烧蚀、抗冲蚀性能。     

腈纶/芳纶共混短纤维用量对柔性绝热层材料性能的影响

比较了腈纶短纤维增强EPDM／NBR共混橡胶（EN体系）、芳纶短纤维增强EPDM／NBR共混橡胶（EA体系）、腈纶／芳纶混杂短纤维增强EPDM／NBR共混橡胶（ENA体系）等3种体系中,短纤维用量对材料不同方向上力学性能的影响;EA和ENA两种不同体系中,短纤维用量对材料烧蚀性能和相对密度的影响。在短纤维用量为6份时,ENA体系的拉伸强度和伸长率比EA体系大,烧蚀性能比EA体系好,相对密度也比EA体系低。     

热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料烧蚀性能的影响

根据高硅氧/酚醛复合材料的烧蚀机理,建立了包括烧蚀退移层、化学反应边界层、液态层、炭化层、热解层、原始材料层的自外向内的物理模型,针对平板烧蚀问题,预报了热导率、比定压热容、驻点焓值等热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料的表面烧蚀后退率、壁面温度、气化烧蚀速率、热阻塞效应因子、气化分数等烧蚀性能的影响.结果表明,低热导率能使表面烧蚀后退率明显降低,但却使壁面温度、热阻塞效应因子及材料的气化分数升高;而高的比定压热容则能大大降低表面烧蚀后退率和壁面温度;随驻点焓值的增加,表面烧蚀后退率和壁面温度都增大.     

纳米炭粉对炭/酚醛材料性能的影响

用纳米级炭粉对炭/酚醛复合材料性能进行了改进.对纳米级炭粉加入后酚醛树脂的热解性能,材料的烧蚀性能、常温下力学性能、热性能及炭化后材料的层间剪切强度的测定结果表明,材料性能得到不同程度的提高,特别是热膨胀特性及高温下层间剪切强度得到大幅度提高.     

纳米炭分对炭／酚醛材料性能的影响

用纳米级炭粉对炭／酚醛复合材料性能进行了改进。对纳米级炭粉加入后酚醛树脂的热解性能,材料的烧蚀性能、常温下力学性能、热性能及炭化后材料的层间剪切强度的测定结果表明,材料性能得到不同程度的提高,特别是热膨胀特性及高温下层间剪切强度得到大幅度提高。     

基于热解动力学的绝热材料烧蚀研究

针对绝热材料的烧蚀热响应进行了研究。采用热解动力学模型计算材料热解,同时计算热解气体的一维流动。采用基于化学动力学控制及扩散控制的烧蚀模型计算材料表面的烧蚀。计算模型中采用有限体积法对能量方程进行离散计算,采用SIMPLE算法对热解气体的流动模型进行计算。计算结果表明,绝热材料内部的孔隙率呈梯度分布,材料的热解率是空间和时间的函数,烧蚀过程中部分材料处于原始材料状态。     

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。     

温度对乙烯热解制备炭/炭复合材料织构的影响

以乙烯为气态前驱体,2D针刺炭毡为预制体,在负压条件下,沉积温度为950～1 200℃,采用等温CVI工艺制备炭/炭复合材料。研究了沉积温度对复合材料密度分布及热解炭组织结构的影响规律。结果表明,所制备的炭/炭复合材料内外密度较为均匀,较低温度下沉积得到中织构和高织构混合组织的热解炭,较高温度下得到纯高织构热解炭。依据Particle-filler模型,其原因可解释为随温度升高,反应中间体中芳香烃比例增大,直至其与小分子比例达到生成高织构热解炭的条件,同时高温导致的快速热解也促进高织构热解炭的生成。     

冲蚀条件下炭布橡胶绝热层烧蚀实验与计算

开展了冲蚀条件下一种炭布橡胶类绝热材料的烧蚀实验,研究了颗粒浓度和冲蚀速度对该绝热层烧蚀的影响规律。实验结果表明,实验条件下冲蚀速度是影响绝热层烧蚀的最主要因素;冲蚀速度较低时,即使颗粒浓度很高,烧蚀率也不是很大。在实验基础上建立了一种基于炭化烧蚀模型的烧蚀计算模型,即首先根据实验数据建立冲蚀状态与炭层厚度之间的关系,然后采用传统的炭化烧蚀模型进行烧蚀计算,计算结果与实验结果在一定程度上较为吻合。     

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.     

EPDM绝热材料耦合烧蚀模型

以EPDM类绝热材料烧蚀特性为研究对象,借鉴多孔介质领域的相关理论和方法,以炭化层的孔隙结构特征和参数为纽带,建立了考虑热化学烧蚀、颗粒侵蚀和气流剥蚀的EPDM类绝热材料耦合烧蚀模型,并进行了模型的初步实验验证。结果表明,所建立的模型不仅在EPDM类绝热材料烧蚀率预示方面具有较高的计算精度,而且在细管上能够基本反映绝热材料的烧蚀特性。     

硅橡胶基防热涂层动态烧蚀行为及机理研究

针对两种典型硅橡胶基防热涂层开展高温燃气流烧蚀实验，通过对烧蚀后涂层的宏观及微观形貌分析，探讨了其防隔热机理及烧蚀模型。研究结果表明：烧蚀后两种涂层均存在液态层、陶瓷层、热解层以及原始层；烧蚀过程中甲基苯基硅橡胶涂层主要发生主链“回咬”成环反应，导致树脂基体交联密度降低，力学性能下降，涂层外表面发生开裂，甲基乙烯基硅橡胶涂层则主要发生侧基交联反应，使树脂基体交联密度上升，促进涂层发生陶瓷化转变；热辐射、热容吸热、热解反应吸热以及热阻塞效应为四种主要的热耗散机制，质量损失产生的原因主要包括反应气体释放以及气动剪切力导致的机械剥蚀。     

表面氧化处理对提高碳/酚醛材料性能的影响

采用次氯酸氧化和ＫＨ５５０偶联剂对碳纤维表面进行处理，研究了其对提高碳纤维及碳布增强钡酚醛材料力学性能和烧蚀性能的影响，并对氧化处理后碳纤维的表面性能进行了表征。得出，该方法是提高复合材料层间剪切强度和持有效方法，它可 间剪切强度提高了１７．５％，线烧蚀率减小５８．６％。     

炭/炭-酚醛双基体烧蚀防热材料研究

分别采用PAN基及粘胶丝基炭布作为增强体，进行了一种新型的炭／炭-酚醛双基体烧蚀防热层板材料的探索研究。结果表明，炭／炭-酚醛双基体材料的密度基本与炭／酚醛材料的密度相当；弯曲强度与炭／酚醛材料及C／C材料相当。弯曲模量稍高于炭／酚醛材料而低于C／C材料。其层剪强度低于炭／酚醛材料和C／C材料。降低了30％-40％。炭／炭-酚醛双基体材料保持了炭／酚醛材料低热导率的特点，热膨胀系数低于炭／酚醛材料，但高于C／C材料，其线烧蚀率比炭／酚醛材料降低20％-40％。与PAN基炭布增强材料相比，粘胶丝基炭布表现出层剪强度高、密度低和模量低的优点。但热膨胀系数大和线烧蚀率较大。     

炭纤维／环氧树脂复合材料层板连续激光烧蚀数值计算

应用工程软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)编制程序,建立了复合材料瞬态温度场和烧蚀的物理数学模型,利用"杀死"单元的方法实现动边界退移的烧蚀与热传导耦合计算,从而完成了对烧蚀尺寸变化的定量描述;采用AN-SYS中处理相变的方法,通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热。考虑了纤维的烧蚀、树脂分解以及辐射和对流热损失,对炭纤维/环氧叠层复合材料在不同辐射时间下激光烧蚀的温度场和烧蚀率进行数值计算,并分析了烧蚀特性和烧蚀机理,计算结果与实验结果吻合较好,可为复合材料热载荷下的失效分析和抗激光加固技术设计提供理论基础。     

三维烧蚀内部热响应数值计算研究

对热解型碳化复合材料三维烧蚀内部热响应数值计算关键技术进行了研究。采用碳化层—热解面—原始材料层模型,将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过有限元法建立移动边界条件下温度场求解方程组,采用Gauss Seidel迭代法计算热解气体质量流量和温度场。同时,研究和分析了三维烧蚀移动边界处理方法以及动网格生成方法。由于每个时间步都需要网格重划,烧蚀热防护数值计算对存储效率和计算效率要求较高,本文研究了内部热响应计算中影响存储效率和计算效率的主要因素,并提出了相应的压缩存储方案和求解方案。计算结果表明,移动边界处理方法准确合理;存储方案的存储效率较高;保持刚度矩阵和形函数矩阵正定对称性可以加快温度场计算的收敛速度。     

光纤嵌入法监测复合材料固化的研究

通过嵌入光纤对芳纶／五氧复合材料板及环氧树脂浇注体的固化进行初步研究，结果表明，光纤嵌入法能准确监测出浇注体及芳纶／环氧复合材料的瞬时固化情况。     

改性先驱体制备C/SiC复合材料性能研究

采用交联剂对聚碳硅烷(PCS)先驱体进行改性,以改性先驱体配置溶液制备了C/SiC复合材料。在制备过程中,由于改性先驱体较高的陶瓷产率,缩短了复合材料基体致密化周期,气孔率降低到7.2%,密度提升到2.01 g/m~3。在改善试样显微结构的同时,改性先驱体能够明显提升C/SiC复合材料力学性能,弯曲强度提高到459.4 MPa,断裂韧性提升到13.6MPa·m~(1/2),相比单组分PCS先驱体分别提高了51.9%和32.0%。烧蚀性能考核表明,试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为8.3×10~(-3) mm/s和4.3×10~(-3) g/s,相比单组分PCS制备的试样分别降低了85.7%和73.1%。通过对试样内部显微结构和考核后形貌进行分析,结果表明试样力学和烧蚀性能的提升主要得益于致密化的基体以及基体对纤维很好的保护作用。