防热材料高温烧蚀-相变特性的细观研究

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基金项目:国家自然科学基金资助项目(!"!"’""&,!**$’"$"),哈尔滨工业大学校基金资助项目(+,-.’"""’*)作者介绍:梁军(!*)*

),男,博士,副教授,从事三维编织复合材料性能表征和防热复合材料烧蚀机理研究。防热材料高温烧蚀!

相变特性的细观研究梁

军,易法军

(哈尔滨工业大学复合材料研究所,哈尔滨!&"""!

)摘

要:通过高温环境下防热材料体积烧蚀机理的分析,利用细观力学的/012345等效夹杂方法研究了材料烧蚀

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相变特性和热力学性能变化规律。假设材料热化学反应后热解生成相介质统计均匀分布,考虑了热解反应产生的气孔与固体相介质之间的相互作用,预报了不同基体材料弹性模量随温度、加温速率之间的变化关系,并与实验结果对照,吻合较好。

关键词:细观力学;烧蚀;防热材料中图分类号:-6$$

文献标识码:7

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质的腐蚀和冲刷;固体火箭发动机的尾喷管喉衬,工作在超高温、高速两相气流和高速粒子流冲刷的环境中。使用的热防护材料,根据不同的工作环境,包括碳/酚醛、模压高硅氧、碳/碳复合材料等。这些材料在工作时,通过烧蚀引起自身的质量损失,吸收并带走大量的热量,阻止热量的传递,起到保护内部结构在一定温度范围内正常工作的作用。防热复合材料的烧蚀可以分为表面烧蚀(又称线烧蚀)和体积烧蚀。表面烧蚀指结构表面材料与环境气流之间发生的热化学反应,包括材料的熔化、升华等;体积烧蚀是指结构内部材料在高温环境下因热解和热氧化反

应导致的质量损失。文献[!!’]表明:以往对防热材料烧蚀的计算都局限于采用比较简单的物理数学模型,在线烧蚀表面仅考虑材料平衡或非平衡燃烧反应,在烧蚀体内部通常忽略了热解破坏造成材料性能不可逆变化的热化学反应过程,所得到的内部温度场、热应力场分布计算值与实验结果有较大差异。因此根据热防护材料的热化学烧蚀机理建立合理的数学#

力学模型,分析材料内部烧蚀性能随温度的变化规律是非常重要的。关于防热材料线烧蚀问题的研究目前有许多文献报道[$!R ],针对求解边界受均匀热流或对流热流的半无限体的表面烧蚀率提出了热平衡积分法和!#动量积分法。但是对于防热材料的体积烧蚀问题相关报道并不多,+

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