碳/酚醛复合材料烧蚀行为预报方法

为研究用于钝头体高超声速飞行器热防护系统的碳/酚醛复合材料在典型服役环境下的烧蚀机制,首先,建立了烧蚀行为的数学模型,模型考虑了材料表面热辐射、固体相的温升吸热、基体热解反应吸热、高温热解气体引射、质量引射引起\"热阻塞\"效应、热解气体的温升和膨胀吸热等多种能量耗散机制,并利用有限元方法实现了数学模型的求解;然后,预报了在冷壁热流为400 kW·m-2、焓值为5 MJ·kg-1的气动热环境下碳/酚醛复合材料的烧蚀行为。结果表明:在受热过程中,厚度为20 mm的碳/酚醛复合材料碳化层的深度持续增加, 100 s时的表面温度达到1420 K,背壁温度为346 K,热解气体压力达10.3 atm,碳化层深度为7.50 mm。所得结论可为具有长时间大面积热防护需求的高超声速飞行器的热防护系统设计提供支持。      

防热复合材料高温炭化烧蚀过程的数值分析

为了揭示在高温情况下防热复合材料发生炭化烧蚀时的详细热响应,通过有限元数值模拟方法实现了对复合材料炭化烧蚀过程的计算。建立了防热复合材料炭化烧蚀过程数值分析的有限元模型,主要包括内部热解反应,材料质量损失,传热模型,表面炭层剥蚀模型,并对某炭/酚醛复合材料的烧蚀过程进行了数值模拟。结果表明,材料的烧蚀是多种因素综合作用的结果,随着烧蚀时间增加,材料内部会出现热解反应,并且发生炭化层、热解层和原始材料层的分层现象,各层随着时间向材料内部移动。壁面温度随着烧蚀量的增大而减小,材料的炭化烧蚀有效地起到了热防护效果。数值模拟结果满足研究项目要求。研究方法对任意的炭化烧蚀热防护材料均具有适应性。     

碳/碳复合材料的激光烧蚀行为与机制

碳/碳(C/C)复合材料作为性能优良的耐烧蚀材料得到了广泛的应用,其作为抗激光烧蚀材料的潜力待被发掘。本文制备了不同密度的C/C复合材料,在无氧环境下以CO₂激光器为光源,探究了高能激光与C/C复合材料之间的作用机制,系统地分析了材料的特性和激光参数不同对烧蚀表现的影响。采用三维轮廓仪对线烧蚀率进行表征。结果表明,随着烧蚀时间或激光功率的变化,C/C复合材料的烧蚀表现均为非线性变化。C/C复合材料的本征特性决定了其热量载荷。密度越高的C/C复合材料,其热量载荷越高,烧蚀性能越好。热量载荷与激光热流密度之间的关系则决定了材料的烧蚀表现,当激光的热流密度大于材料的热流载荷时,烧蚀速率会呈阶跃式攀升。     

三维编织碳/酚醛复合材料高温热响应的数值计算

针对酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料(PISF)烧蚀热响应过程受热边界难处理的问题,建立了PISF的三维流-热-烧蚀多场耦合模型,预测了高温环境下材料受热过程和散热过程的瞬态温度分布,模拟了体积烧蚀和表面烧蚀过程,分析了各项参数对PISF传热的影响。结果表明：随着受热时间的增长,材料表面温度逐渐升高,流入表面的热流迅速减少。受热面中心点处受到的热流最大,约3.6 s后开始发生烧蚀,烧蚀最为明显。材料表面受热后迅速分解,产气速率迅速达到峰值,后期由于表面热阻效应,产气速率逐渐降低。一定条件下,提高导热系数会降低烧蚀后退速率和提高产气速率,背温升高,不利于材料隔热;提高热容会降低烧蚀后退速率和产气速率,背温降低,有利于材料隔热;显著提高渗透率会增强流体流动传热,提高烧蚀后退速率和产气速率,背温升高,不利于材料隔热。研究结果可以提高对PISF烧蚀热响应过程的认识,并为热防护材料的优化设计提供参考。

     

细编穿刺碳/碳复合材料等离子火炬高温烧蚀性能研究

采用等离子火炬作为高温热源,研究了细编穿刺碳／碳复合材料高温烧蚀性能。研究结果表明：随着烧蚀区域从火焰中心到边缘的变化,材料的烧蚀特性从中心区域的以热力学烧蚀为主向靠近边缘区域的以热化学烧蚀为主过渡;碳基体和碳纤维的抗热力学烧蚀性能相当,而抗热化学烧蚀和抗氧化性,碳纤维则明显优于碳基体。     

酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料烧蚀过程数值模拟

针对酚醛树脂浸渍石英纤维复合材料(PISF)烧蚀热响应过程受热边界难处理的问题,建立了PISF的三维流-热-烧蚀多场耦合模型,预测了高温环境下材料受热过程和散热过程的瞬态温度分布,模拟了体积烧蚀和表面烧蚀过程,分析了各项参数对PISF传热的影响。结果表明：随着受热时间的增长,材料表面温度逐渐升高,流入表面的热流迅速减少。受热面中心点处受到的热流最大,约3.6 s后开始发生烧蚀,烧蚀最为明显。材料表面受热后迅速分解,产气速率迅速达到峰值,后期由于表面热阻效应,产气速率逐渐降低。一定条件下,提高导热系数会降低烧蚀后退速率和提高产气速率,背温升高,不利于材料隔热;提高热容会降低烧蚀后退速率和产气速率,背温降低,有利于材料隔热;显著提高渗透率会增强流体流动传热,提高烧蚀后退速率和产气速率,背温升高,不利于材料隔热。研究结果可以提高对PISF烧蚀热响应过程的认识,并为热防护材料的优化设计提供参考。     

硅改性酚醛/碳纤维复合材料的制备及烧蚀性能

针对酚醛树脂(RF)耐热性不足、抗烧蚀性能差,且SiO₂粒子与酚醛树脂相容性的问题,采用共凝胶法制备纳米级的SiO₂/RF杂化气凝胶,通过构建凝胶网络互穿结构,增加两相相容性,探究SiO₂/RF杂化气凝胶的微观结构、化学结构和热物理性能。制备得到硅改性酚醛/碳纤维复合材料,并对改性前后复合材料的烧蚀性能进行比较。结果表明,不同硅含量的杂化气凝胶具有凝胶骨架和孔隙双连续的结构特性,密度分别在0.145～0.160 g/cm³之间。随着硅含量提高,杂化气凝胶残留率增加,Si—O键吸收振动峰更明显,但XRD无衍射峰。综合考虑孔径分布及热物理性能,选取性能最优的杂化气凝胶制备硅改性酚醛/碳纤维复合材料,改性后复合材料的质量烧蚀率为0.046 g/s,线烧蚀率为0.074 mm/s。与未改性的复合材料相比,质量烧蚀率降低了20.7%,线烧蚀率降低了21.3%,改性后材料的抗氧化性和烧蚀后的残留率得到明显提升。     

碳/碳复合材料的疲劳行为研究

碳/碳复合材料作为理想的高温结构材料,在服役过程中不可避免地涉及疲劳加载的情况,其疲劳行为的研究具有十分重要的意义.本文对近年来碳/碳复合材料疲劳行为的研究情况进行了综述,总结出了疲劳行为特点.提出了"界面控制"疲劳机理分析模型,并用此模型合理解释了碳/碳复合材料优异的抗疲劳性能以及异常的"疲劳强化"现象.并在此基础上,对今后的研究工作发表了一些看法.     

防热复合材料发展与展望

以烧蚀型防热复合材料、 非(微)烧蚀型防热复合材料、 高温高效隔热复合材料以及高温透波复合材料为重点, 简要总结了国内外防热复合材料发展现状, 介绍了我国重点领域的突破与进展, 并展望了未来防热复合材料的发展趋势。      

发动机用碳酚醛材制烧蚀影响因素分析

一．概述 碳酚醛材料由于具有石墨或碳／碳材料相似的优良耐烧蚀特性以及成本低廉等特点,而且制作工艺和一般增强塑料相近,可沿用模压、层压和缠绕等工艺,因此碳酚醛材料作为功能烧蚀材料已被广泛应用于火箭和导弹的发动机防热部位,如喷管等。     

碳纤维随机填充橡胶复合材料导热性能的数值模拟

运用随机顺序添加算法RSA(Random sequential addition method),基于均匀化理论建立了碳纤维填充橡胶复合材料代表体积单元RVE(Representative volume element)模型,利用有限元方法数值模拟研究了碳纤维对橡胶复合材料导热性能的影响。结果表明:在相同的填充分数下,碳纤维根数对复合材料导热性能的影响较小;合理安排碳纤维空间分布及纤维取向能有效提高复合材料的导热性能;复合材料的导热性随着碳纤维填料含量及长径比的增加而增大;与理论模型相比,基于碳纤维填料随机分布模型所得模拟结果与实验值较接近,尤其在高填充分数时与实验值吻合较好,可以更好地预测纤维填料填充复合材料的导热性能,对制备具有高填充分数的高导热复合材料具有一定的指导意义。     

炭/炭复合材料热梯度CVI工艺中温度场的数值模拟

阐明了用于制备炭/炭复合材料的热梯度化学气相沉积工艺过程和原理,测定了沉积过程中预成型体内不同位置的温度.建立了炭/炭复合材料热梯度CVI的2D轴对称几何模型,以及热梯度CVI工艺中的导热微分方程,对热梯度CVI工艺中的梯度温度场进行了模拟分析,并将模拟结果与实际测试结果进行了对比.     

石墨/PTFE复合材料导热性能的数值模拟

有限元数值模拟可看作在计算机上进行的模型实验,在模型体系上获得的信息比在实际体系上所作的试验更为详细.介绍了利用ANSYS的参数化有限元分析技术数值模拟的模型、原理及精度,并获得了系列化的数据,为石墨/PTFE复合材料的导热性能设计提供了参考依据.     

高强度-中密度纳米孔树脂基防隔热复合材料的制备与性能

针对新一代航天器长时防隔热-高气动剪切的防热需求,以杂化酚醛树脂为基体、纤维布/纤维网胎逐层针刺结构为增强体,通过溶胶-凝胶工艺,制备出一种中密度-高强度-防隔热一体化的纳米孔树脂基复合材料(IPC-90),系统研究了石英纤维(QF/IPC-90)和碳纤维(CF/IPC-90)对复合材料的微观结构、力学性能、静态隔热和烧蚀性能的影响,探讨了其在低-中-高温度下的烧蚀机制。结果表明：纤维布的引入使IPC-90具有优异的力学性能(拉伸曲强度 >120 MPa,弯曲强度 >90 MPa);纳米孔基体和纤维网胎的引入使IPC-90在中密度(~0.95 g/cm³)下具有较低的热导率(室温热导率依次为0.089 W/(m∙K)和0.120 W/(m∙K))。在1000℃静态隔热试验中,两种材料均展现了较好的热稳定性和抗氧化性,其等效热导率分别为0.142 W/(m∙K)和0.186 W/(m∙K)。在2000℃以下氧-丙烷烧蚀试验中,QF/IPC-90和CF/IPC-90的烧蚀主要由基体热解、炭化收缩引起,其1600℃下的线烧蚀率依次为0.0208 mm/s和0.0133 mm/s;在2000℃ 以上氧-乙炔烧蚀试验中,CF/IPC-90的烧蚀由表面超高温炭化-升华主导,而QF/IPC-90则因石英纤维熔融导致其抗烧蚀性下降较为明显,两者在4.2 MW/m²下的线烧蚀率依次为0.073 mm/s和0.186 mm/s。     

高硅氧/酚醛复合材料热-力-化学多物理场耦合计算

基于高硅氧/酚醛复合材料体积烧蚀条件下的三维多物理场耦合控制方程,通过有限元方法预报了高硅氧/酚醛复合材料在酚醛树脂热解反应过程中的温度场、位移场、孔隙压力以及树脂残留率等热力学响应。计算结果表明：数值计算模型预报的温度场和位移场与高硅氧/酚醛复合材料高温变形实验的测量值吻合。材料热解过程中固体材料孔隙压力的峰值点出现在材料热解反应刚开始发生的区域,而弹性应力的峰值点出现在靠近材料热解层的原始材料层。     

C/C复合材料的热化学烧蚀和温度场耦合分析

通过对热化学烧蚀机制的分析, 利用有限元方法分析了热化学烧蚀、 烧蚀表面退缩及温度场耦合作用下C/C复合材料的烧蚀性能变化规律。采用虚拟失效、 重新构建网格部件的方法实现烧蚀表面的退缩, 建立了烧蚀表面退缩下瞬态温度场的有限元模型。运用热化学烧蚀理论求解了进入材料内部的净热流和烧蚀率。烧蚀表面退缩后变得不规则, 通过编程校正了重新加载热流时不规则表面出现局部热流偏大的现象。结果表明, 随着烧蚀时间的增加, 进入材料内部的热流达到动态的平衡, 材料的烧蚀是多种因素综合作用的结果, 通过耦合计算可以真实反映材料的烧蚀特性。     

钢-混凝土叠合梁横截面日照温度分布研究

介绍了桥梁结构横截面上温度分布的若干形式及其对结构受力的影响。基于平面非稳态温度场的基本理论,按求解导热微分方程的第三类边界条件加载,应用ANSYS有限元软件对某实桥的钢-混凝土叠合梁截面在日照作用下的温度分布进行时程仿真计算,进而评价了不同材质在叠合梁截面中的热力学性能。通过对比实测数据和计算结果,验证了计算方法和我国桥梁规范对桥梁横截面温度分布的界定的合理性。     

浸渍致密化对碳素复合材料热辐射性能的影响

测定了碳素复合材料的法向光谱发射率和法向总发射率,利用扫描电子显微镜(SEM)进行表面形貌分析,研究了浸渍致密化工艺以及表面形貌与碳素复合材料法向光谱发射率和法向总发射率的变化.结果表明,炭布和短纤维增强碳素复合材料的法向光谱发射率和总发射率均在最终浸渍致密化之后有所增加,在多次致密化后两组样品总发射率间的差距减小,增...