碳/酚醛復(fù)合材料燒蝕行為探討范文

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《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》2015年第六期

摘要：

對(duì)用做鈍頭體高超聲速飛行器熱防護(hù)的碳/酚醛復(fù)合材料在典型服役環(huán)境下的燒蝕機(jī)制進(jìn)行了研究，建立了燒蝕過程的數(shù)學(xué)模型。利用有限元方法實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的求解，預(yù)報(bào)了冷壁熱流4002kWm、焓值51MJkg的氣動(dòng)熱環(huán)境下碳/酚醛材料的燒蝕行為。對(duì)于20mm厚度的碳/酚醛材料，受熱過程中碳化層深度持續(xù)增加，100s時(shí)刻表面溫度達(dá)到1405K，背壁溫度為497K，孔隙熱解氣體壓力達(dá)18.1atm。本研究為具有長(zhǎng)時(shí)間大面積熱防護(hù)需求的高超聲速飛行器的熱護(hù)設(shè)計(jì)提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：

碳/酚醛；熱防護(hù)；多物理場(chǎng)；燒蝕；有限元

碳/酚醛復(fù)合材料作為一種輕質(zhì)強(qiáng)韌化防熱材料，具有防熱效率高、防隔熱一體、抗剪切能力強(qiáng)、燒蝕后退量小等特點(diǎn)，主要用于鈍頭體熱防護(hù)[1]。由于占飛行器較大比重，其冗余設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)飛行器的質(zhì)量控制有關(guān)鍵作用[2]。準(zhǔn)確的掌握碳/酚醛復(fù)合材料燒蝕特性能夠解決過度冗余或防熱設(shè)計(jì)可靠性不足的問題[3,4]。熱防護(hù)材料在燒蝕過程中通過自身溫升、表面材料相變、化學(xué)反應(yīng)等吸收能量以達(dá)到防隔熱的效果。Beacher,S.J.等[5]建立了普遍的熱化學(xué)燒蝕模型。J.B.Henderson等[6]研究了聚酯基防熱材料服役環(huán)境下的基體熱解與熱變形過程，并采用一維模型計(jì)算材料燒蝕過程中的溫度、熱解氣體壓強(qiáng)等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化過程。Hogan等[7]利用控制容積法解算了軸對(duì)稱模型的能量傳遞方程，并利用非結(jié)構(gòu)化動(dòng)網(wǎng)格模型獲得了材料燒蝕過程中的表面后退率。

陳海龍等[8]基于體積燒蝕條件下的三維多物理場(chǎng)耦合控制方程預(yù)報(bào)了高硅氧/酚醛復(fù)合材料在酚醛樹脂熱解反應(yīng)過程中的溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)、孔隙壓力以及樹脂殘留率等熱力學(xué)響應(yīng)。李瑋潔等[9,10]研究了發(fā)生表面后退的碳化燒蝕體的非線性熱解層模型。由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)和分析工具的飛速發(fā)展，如ProEngineer等工程軟件允許可建立復(fù)雜的幾何模型，NASTRAN和PATRAN等分析工具使復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的熱分析更容易實(shí)現(xiàn)[11,12]。但是，目前尚無能進(jìn)行高精度燒蝕熱響應(yīng)分析的工程軟件。有一些可用于燒蝕分析的計(jì)算代碼如CMA[13]和FIAT[14]等，但他們都是基于一維有限差分法，并不兼容現(xiàn)代設(shè)計(jì)工具。本文研究了中低熱流密度下碳/酚醛材料的防熱機(jī)制，建立了其燒蝕模型，并借助于有限元軟件預(yù)報(bào)了其燒蝕行為。

1碳/酚醛復(fù)合材料的防熱機(jī)制

碳/酚醛主要用于鈍頭體的大面積熱防護(hù)，其典型服役環(huán)境為：以對(duì)流換熱為主的中低熱流環(huán)境(0.1~1.5MW/m2)、中等焓值(5~15MJ/kg)。在此服役環(huán)境下，假設(shè)增強(qiáng)相在高溫下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即固體材料表面不發(fā)生后退。則碳/酚醛防熱材料的能量耗散機(jī)制包括：（1）材料表面熱輻射；（2）固體相的溫升吸熱；（3）孔隙內(nèi)熱解氣體的溫升和膨脹吸熱；（4）基體熱解反應(yīng)吸熱；（5）材料表面高溫?zé)峤鈿怏w引射；（6）質(zhì)量引射引起“熱阻塞”效應(yīng)。碳/酚醛燒蝕材料的燒蝕過程是極為復(fù)雜的，是一個(gè)固體傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等多物理場(chǎng)同時(shí)變化而且相互耦合影響的過程。各場(chǎng)之間的耦合關(guān)系具體如下：固體熱傳導(dǎo)決定的固體溫度影響樹脂材料的高溫化學(xué)反應(yīng)速率，反之，熱解反應(yīng)產(chǎn)生熱效應(yīng)以及伴隨的酚醛樹脂的熱物理性質(zhì)變化影響固體熱傳導(dǎo)過程。固體溫度分布的變化影響孔隙內(nèi)熱解氣體的溫度壓力等參數(shù)變化，反之，熱解氣體的在固體孔隙內(nèi)的對(duì)流換熱以及材料表面的引射作用影響固體內(nèi)部分布以及表面熱載荷的阻塞效應(yīng)。熱解氣體的溫度壓力對(duì)于反應(yīng)速率有直接影響，反之酚醛樹脂高溫化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱解氣體是質(zhì)量傳遞過程的質(zhì)量源。

2燒蝕過程的數(shù)學(xué)模型

分別從能量和質(zhì)量傳遞的角度對(duì)燒蝕模型進(jìn)行分析。研究材料的表面能量平衡關(guān)系、熱解氣體傳質(zhì)過程、熱化學(xué)反應(yīng)速率、能量傳遞過程。全面建立描述燒蝕過程的數(shù)學(xué)模型。

2.1表面能量平衡根據(jù)表面能量平衡關(guān)系，建立材料的表面能量平衡方程。

2.2熱解氣體傳質(zhì)過程材料燒蝕過程中，基體高溫反應(yīng)生成了熱解氣體，熱解氣體在固體相的孔隙中擴(kuò)散，這里從質(zhì)量守恒原理出發(fā)，推導(dǎo)氣體相的擴(kuò)散控制方程。

2.3熱化學(xué)反應(yīng)速率樹脂基體在高溫下發(fā)生熱解反應(yīng)，假設(shè)基體由多種組分組成，而任一組分的熱解反應(yīng)速率可由Arrhenius動(dòng)力學(xué)反應(yīng)方程表示，若第k種組分的反應(yīng)級(jí)數(shù)為。

2.4能量傳遞過程與非燒蝕材料不同，燒蝕材料內(nèi)部的能量傳輸通過兩種方式進(jìn)行—傳導(dǎo)傳熱和傳質(zhì)傳熱。同時(shí)，由于熱解反應(yīng)過程中伴隨著化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，反應(yīng)發(fā)生前后物系焓值不守恒。考慮化學(xué)反應(yīng)的焓變效應(yīng)，微元體的能量平衡方程。

3碳/酚醛復(fù)合材料的熱物理性質(zhì)

通過實(shí)驗(yàn)手段和調(diào)研資料可以獲得原始材料和完全碳化材料的密度、孔隙率、滲透率、熱導(dǎo)率、熱容等參數(shù)隨溫度變化的熱物性參數(shù)[15]。燒蝕材料固體相的熱物理性能是隨溫度、碳化程度不同而實(shí)時(shí)變化的，而我們難以測(cè)量這些參數(shù)的實(shí)時(shí)變化特性，因此需要采用合理的熱物理性能變化模型。

4算例

本文借助于COMSOLMultiphysics軟件，利用有限元法對(duì)描述燒蝕過程的控制方程進(jìn)行求解。預(yù)報(bào)厚度為20mm的碳/酚醛材料在模擬熱環(huán)境下的燒蝕過程，熱環(huán)境參數(shù)與模型的初始條件和邊界條件如表1所示。圖1~圖3分別給出了碳/酚醛材料不同時(shí)刻的溫度分布、熱解氣體壓力分布和熱解程度分布云圖。由圖1可知，碳/酚醛材料表面溫度隨著加熱時(shí)間持續(xù)升高，但表面溫升速率降低，100s時(shí)刻表面溫度為1405K。背壁溫度在加熱前期緩慢升高，而后溫升速率逐步加快，100s時(shí)刻背壁溫度達(dá)到497K。根據(jù)圖2，材料的基體相發(fā)生熱解反應(yīng)生成大量的熱解氣體，雖然熱解氣體通過表面不斷逸出，但由于熱解反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行和材料內(nèi)部的溫度的升高，材料孔隙中的熱解氣體壓力仍然持續(xù)增大。100s時(shí)刻熱解氣體的最大壓力達(dá)到18.1atm。由圖3可知，靠近受熱面的碳/酚醛材料溫度較高，很快發(fā)生完全熱解形成碳化層（熱解程度=0），背壁附近的材料溫度較低，幾乎未發(fā)生熱解反應(yīng)，為原始材料層（熱解程度=1）。碳/酚醛材料受熱過程中，碳化層深度持續(xù)增加，原始材料層厚度持續(xù)減小。

5結(jié)論

（1）碳/酚醛復(fù)合材料在中低熱流水平服役環(huán)境下下的能量耗散機(jī)制包括：材料表面熱輻射、固體相溫升、熱解氣體的溫升與膨脹、基體熱解反應(yīng)、熱解氣體引射以及“熱阻塞”效應(yīng)。（2）碳/酚醛燒蝕材料的燒蝕過程是固體傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等多物理場(chǎng)同時(shí)變化而且相互耦合影響的過程，分別建立了各個(gè)物理場(chǎng)的控制方程。（3）通過采用有限元法計(jì)算型服役環(huán)境下碳/酚醛復(fù)合材料的燒蝕行為，證明預(yù)報(bào)方法具有可行性，為熱防護(hù)設(shè)計(jì)提供了一種有效工具。

作者：朱燕偉 孟松鶴 易法軍 趙小光 潘威振 單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所 中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司