碳/碳复合材料表面烧蚀多尺度粗糙度模拟

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烧蚀条件下C/C复合材料温度场的数值分析

烧蚀条件下C/C复合材料温度场的数值分析

YANG De—j a n, L I X u—d o n g
( S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e i r n g ,L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0 , C h i n a )
第3 O 卷 第4 期
文章编号 : 1 0 0 6—9 3 4 8 ( 2 0 1 3 ) 0 4— 0 4 1 1 —0 5



仿

2 0 1 3 年4 月
烧蚀 条件下 C / C 复合 材 料 温 度 场 的数值 分析
杨德军, 李旭 东
( 兰州理工大学材料科学与工程学院 , 甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 )
关键 词 : 炭/ 炭 复合材料 ; 烧蚀性能 ; 移动边界 ; 烧蚀率 ; 有 限元仿真 中图分类号 : T P 3 9 1 . 9; V 4 1 1 . 8; V 4 4 8 . 1 5 文献标识码 : B
Nu me r i c a l S i m ul a t i o n o f Te m pe r a t ur e Fi e l d o f Ca r bo n /Ca r b o n Co m po s i t e Ma t e r i a l s u nd e r Abl a t i o n Co n di t i o n s
ABS T RACT : T h e c h a n g e r u l e o f t e mp e r a t u r e i f e l d o f c o mp o s i t e ma t e i r l a u n d e r d i f e r e n t a b l a t i o n c o n d i t i o n s i s a n i m- p o r t a n t r e s e a r c h c o n t e n t i n t h e t h e r ma l p r o t e c t i o n s y s t e m.I n o r d e r t o r e v e a l t h e t h e ma r l r e s p o n s e o f c a r b o n—c a r b o n c o mp o s i t e s a t d i f f e r e n t a b l a t i o n r a t e s ,t h e c h a n g e ul r e o f t e mp e r a t u r e i f e l d u n d e r a b l a t i o n s u r f a c e r e c e d i n g c o n d i t i o n wa s n u me i r c ll a y a n ly a s e d a n d r e s e a r c h e d b y t h e me t h o d o f v i r t u a l f a i l u r e nd a d e l e t i n g c e l l s .T h e f i n i t e e l e me n t H a - me r i c a l c lc a u l a t i o n mo d e l o f a b l a t i o n t e mp e r a t u r e i f e l d w a s e s t a b l i s h e d u n d e r mo v i n g b o u n d a r y c o n d i t i o n s .T h e r e s u l t o f n u me i r c l a a n a l y s i s s h o ws t h a t t h e wa ll t e mp e r a t u r e o f t h e a b l a t i v e ma t e i r ls a c l o s e l y r e l a t e s t o t he ma t e ia r l a b l a t i o n

CC复合材料

CC复合材料
由于C/C复合材料的高温力学性能,使之有可能成为工作 温度达1500~1700 ℃的航空发动机的理想材料,有着潜在的发 展前景。
用于叶片和活塞, 可明显减轻重量, 提高燃烧室的温度, 大幅度提高热效率。
涡轮发动机
4.内燃发动机
发动机活塞和活塞环; 高性能密封材料
C/C复合材料因其密度低、优异的摩 擦性能、热膨胀率低,从而有利于控 制活塞与汽缸之间的空隙,目前正在 研究开发用其制活塞。
浸渍热固 性树脂
碳化、 墨化
通入HC化 合物气体
加热分解、 沉积
化学气相沉积法
C/C复 合材料
立式化学气相沉积炉
C/C复合材料的展望
今后将以结构C/C复合材料为主,向功能和多功能C/C复 合材料发展;
在编制技术方面:由单向朝多向发展; 机械针织技术方面:由简单机械向高度机械化、微机化
和计算机程控全自动化发展; 应用方面:由先进飞行器向普通航空和汽车、非航天高
C/C复合材料的用途
1.刹车领域的应用
C/C复合材料刹车盘的实验性研究于上世纪1973年第一次用于飞 机刹车。一半以上的C/C复合材料用做飞机刹车装置。
1.重量轻、耐温高 2.比热容比钢高2. 5 倍 3.同金属刹车相比可节省40 % 的结构重量 4.碳刹车盘的使用寿命是金属的5~7倍 5.刹车力矩平稳,刹车时噪声小
C/C复合材料在偏光下 的三种基本显微结构
C/C复合材料的性能
1.高温性能好:耐烧蚀 (3000℃ );耐高温(升华温度 3800℃);强度随温度的升高不降反升的独特性能,使其作为 高性能发动机热端部件和使用于高超声速飞行器热防护系统。 2.低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数。 3.耐热冲击、耐烧蚀、耐含固体微粒燃气的冲刷。 4.质量轻,密度为1.65-2.0g/cm3,仅为钢的四分之一。

碳碳复合材料磷酸铝抗氧化涂层的制备及研究

碳碳复合材料磷酸铝抗氧化涂层的制备及研究

碳/碳复合材料磷酸铝抗氧化涂层的制备及研究王琪摘要综述了国内外碳/碳复合材料磷酸盐抗氧化涂层的研究进展, 介绍了磷酸盐涂层体系的抗氧化原理、制备方法及研究现状,并对其在823K~1223K各温度段氧化后进行氧化烧蚀实验,借助扫描电镜研究了氧化程度碳/碳复合材料的组织形貌。

实验结果表明:在恒定温度条件下,随着氧化时间的延长,样品的烧蚀率是逐渐增大的;在恒定时间条件下,随着氧化温度的升高,样品的烧蚀率和氧化速率是逐渐增大的。

关键词:碳/碳复合材料;磷酸盐涂层;氧化CARBON/CARBON COMPOSITES AGAINST OXIDATION COATING OF ALUMINUM PHOSPHATE PREPARATION AND RESEARCHWANGQi(Department of Chem. & Chem. Eng., Baoji University of Arts & Sciences, Baoji Shaanxi 721013)AbstractThe domestic and international carbon / carbon composites Phosphate Coating on anti-oxidation, phosphate coatings described antioxidant systems theory, methods of preparation and research status, and the temperature at 823K ~ 1223K section of the oxidation after the ablation experiment, using scanning electron microscopy study of the oxidation of carbon / carbon composite material microstructure. The results showed that: At constant temperature conditions, with the oxidation time, the sample ablation rate is gradually increased; in constant time conditions, with the oxidation temperature, the samples of the ablation rate and oxidation rate is gradually increasing。

C/C复合材料Ta2O5-TaC/SiC抗氧化抗烧蚀涂层研究

C/C复合材料Ta2O5-TaC/SiC抗氧化抗烧蚀涂层研究

的 T 2 5 a /i a0 ・ C S T C复合涂层 结构致密 ,该 复合涂层有效提 高了 C C复合材料 的抗氧化 和抗烧蚀性能 ;T2 5 a/i / aO 一 CS T C复合涂 层
在 1 0 静态空气 环境下可对 C C复合材料有效 保护 10h 0o 5 C / 0 以上 ;涂层 试样在氧 乙炔烧蚀 环境 中烧蚀 6 表明涂层可将 C C 0S /
复合材料 的线烧 蚀率降低 4 .7 ,质量烧蚀率 降低 2 .0 。 70 % 9 2% 关 键 词 :C C复合材料 ; V .i涂 层 ;T, TC涂层 ;抗氧化 ;抗烧蚀 / C DSC aO 一a
中图分类 号 :T 3 B3
文献标 识码 :A
文章编 号 :17 6 4—3 6 ( 0 1 1 — 0 1 5 9 2 2 1 ) 1 0 0 —0
o i ai n i ttc aramo p e e a 0 C o e O h x d t n sai i t s h r t15 0 o v r 1 O .T el e ra d ma sa l t e rt so o t d s e i n o l e o h i a n s b ai a e fc a e p cme s c ud b n v rd c d b 7 0 e u e y 4 . 7% a d 2 . 0 n 9 2 % r s e t e y a e n o y c tln b ain ts r6 .i d c t g ta a O . a / i e p ci l f r x a e ye e a lt e tf 0 S n i ai h t , T C S C v t a o o n T mut a e o t g c u d ef cie y i r v h n i b ai n p o e t fC C c mp sts l l y rc ai o l f t l mp o e t e a t a l t r p r o / o o i . i n e v — o y e

碳石英防热复合材料质量烧蚀率的数学模型构建

碳石英防热复合材料质量烧蚀率的数学模型构建

碳/石英防热复合材料质量烧蚀率的数学模型构建作者:高艺来源:《粘接》2021年第02期摘要:碳/石英防热复合材料是一种性能优异的材料,在飞行器中具有重要作用。

文章构建了碳/石英防热复合材料质量烧蚀率的数学模型,该模型中包含热流、焓值和压力这3个参数。

通过使用管状电弧加热器完成实验,获取相关信息数据,然后使用回归分析方法构建数学模型。

为了验证模型的有效性,对其进行变量间相关性检验、拟合优度检验、回归模型显著性检验和回归系数显著性检验。

研究结果表明碳/石英防热复合材料质量烧蚀率的数学模型具有很好的拟合程度。

关键词:碳/石英防热复合材料;质量烧蚀率;数学模型中图分类号:C45;V258 文献标识码:A 文章编号:1001-5922(2021)02-0076-04如今,在很多高科技中需要需要使用到性能更好的复合材料,比如先进飞行器、航空航天等中对复合材料的耐烧蚀、耐高温性更加重视。

碳/石英防热复合材料正好具有非常好的抗烧蚀、耐高温等性能,能够很多领域中发挥重要作用。

图1即为碳/石英防热复合材料的微观形貌。

碳纤维和石英这两种材料在性能和制造工艺上匹配性良好,能够提高复合材料的力学性能、抗震性能、防热性能等,且在飞行器中具有深入的应用。

由于我国对碳/石英防热复合材料在不同热环境条件下的烧蚀性能研究较少,所以文章将对其质量烧蚀率进行研究,构建数学模型,从而能够反映出碳/石英防热复合材料的烧蚀性能。

1实验过程1.1实验模型和仪器实验需要的设备有红外测温仪、管状电弧加热器等。

实验所需的模型是碳,石英防热复合材料制成的驻点模型,该模型的高在30~40mm之间,直径在25~30mm之间。

实验过程中需要对驻点的表明温度进行测量,使用到的仪器为红外测温仪。

1.2实验方案首先将模型的轴线安装在管状电弧加热器的中心线上,如图2所示所示的实验装置示意图,然后在安装过程中为了保证模型烧灼均匀,需要将模型截面平行于喷灌口截面。

然后再根据图2所示的安装位置将红外测温度仪安装在电弧加热器上。

碳纤维复合材料在不同温度下的性能差异

碳纤维复合材料在不同温度下的性能差异

第52卷第9期 辽 宁 化 工 Vol.52,No. 9 2023年9月 Liaoning Chemical Industry September,2023基金项目: 沈阳市科技局双百项目(项目编号:Y18-1-018)。

收稿日期: 2022-09-24碳纤维复合材料在不同温度下的性能差异张宋茂苗1,张罡2,赵平1,时卓3(1. 沈阳理工大学 环境与化学工程学院,辽宁 沈阳 110000;2. 沈阳理工大学 材料科学与工程学院,辽宁 沈阳 110000;3. 辽宁省轻工科学研究院有限公司,辽宁 沈阳 110000)摘 要:碳纤维复合材料越来越多地被应用在各个领域。

随着使用的范围越来越广,环境因素逐渐成为各行各业关注的对象。

因此,在设计中需要更多地考虑到环境对于材料耐久性使用的问题。

并且,随着人们对安全性能的要求越来越高,需要对碳纤维复合材料在不同温度下的工作状态、损伤特性有一个清晰的认知。

介绍了碳纤维树脂基材料在不同温度下比较典型的破坏模式以及失效机理,重点介绍了环氧树脂、碳纤维、碳纤维复合材料在不同温度下的破坏方式以及改进方式。

关 键 词:碳纤维复合材料;环氧树脂;碳纤维;温度中图分类号:TB332 文献标识码: A 文章编号: 1004-0935(2023)09-1365-05碳纤维复合材料最早应用于航空航天领域,其发展一直受航空航天驱动[1]。

由于碳纤维复合材料具有优异的机械、物理和化学性能的独特组合,如高强度、高模量、耐热性和高强度重量比,碳纤维被广泛应用于汽车能源系统、燃料电池、低温传感器系统、海上深海钻井平台以及抗静电和电磁屏蔽记忆材料[3,6-7,48]。

但是当碳纤维复合材料在使用时遭遇恶劣的环境条件时,如温度的大幅度变化,仅靠材料自身的结构无法应对,因此,碳纤维复合材料会在环境暴露下表现出一定程度的性能退化,从而缩短预期寿命[2-3]。

传统上,将高聚物的老化分为两大类:物理老化和化学老化。

CCF800碳纤维表面粗糙度及对复合材料界面性能的影响

CCF800碳纤维表面粗糙度及对复合材料界面性能的影响

图2 柔性连接体柔性连接器安装弹线定位:根据设计图纸确定线槽走向,从始端至终端弹出线槽边缘线,并根据伸缩缝长度标记出螺栓孔位置。

螺栓孔钻孔:采用φ10钻头进行钻孔,并清理孔内灰层。

柔性连接器安装:橡胶片切割时,应沿凸起线切割,两侧长度应距离伸缩缝边缘不小于胶片边缘应超出扣压钢环片边缘不小于10mm,橡胶片与生产中代替了部分金属材料,成为提升国民经济与国防虽然国产碳纤维生产发展迅速,式中,Zij是表示横坐标为轴坐标,Nx、Ny为X轴和Y式中,τ界载荷,r是碳纤维半径;dF800-1(左)F800-2(中)F800-3(右)图1 CCF800碳纤维表面形貌图129中国设备工程 2023.05 (下)F800-1F800-2F800-3图2 CCF800三维形貌图与二维轮廓图进一步对试验数据进行分析计算,得到每组碳纤维样品表面粗糙度Ra,见表1。

可以发现,3种碳纤维表面平均粗糙度相差较大,CCF800-3碳纤维表面平均粗糙度最大,为30.32Ra/nm,这将有利于其在形成界面时产生的机械啮合作用;CCF800-2碳纤维表面平均粗糙度次之,为25.80Ra/nm;而CCF800-1具有最小的平均粗糙度,为21.10Ra/nm。

表1 碳纤维表面粗糙度碳纤维粗糙度(Ra/nm)CCF800-121.10±2.21CCF800-225.80±2.45CCF800-330.32±5.16从计算结果可以看出,碳纤维的表面粗糙度与在SEM、AFM中观测到的形貌具有较高的一致性,可以相互佐证。

另一方面,3种国产CCF800表面形貌的区别表现在沟槽数量与深浅两个方面。

通过对表面粗糙度的计算,实现了对碳纤维表面形貌进行定量分析。

3.3 单纤维/树脂微球复合材料微观界面性能实验结果在微脱粘实验树脂微球从纤维上剥落的过程中,可以得到单纤维/树脂微球复合材料体系的最大剥脱力F,并通过公式(2)进行计算,得到3种不同国产CCF800a.剥脱前(左)b.剥脱后(右)图3 树脂微球剥脱前后与纤维的结合形态表2 碳纤维增强树脂基复合材料的微观界面剪切强度碳纤维编号界面剪切强度离散系数τ/MPa CV/% CCF800-162.4711.40CCF800-265.1812.93CCF800-368.9812.37。

炭纤维增强氮化物复合材料的制备及其烧蚀性能

炭纤维增强氮化物复合材料的制备及其烧蚀性能

.73.
材料在烧蚀性能方面更具竞争力。
图3炭纤维/氮化物复合材料烧蚀表面宏观形貌 Fig.3 Appearance of ablated carbon fiber/Nitride composites
图4炭纤维/氮化物复合材料烧蚀表面SEM照片 Fig.4 SEM photograph of ablated carbon fiber/Nitride composites
图l 先马f《体及其裂解产物的红外光谱图
(a)混杂先驱体;(b)800℃裂解产物
pre,煳i";(b)pyrolytic Fig.1
FT—Ill¥pd2tl'a of hybrid pfccursol"and its pyrolytic product.
(a)Hybrid
product at 800 oc
摘要: 合成了硼吖嗪和全氢聚硅氮烷的混杂先驱体并对其结构进行了表征;以混杂先驱体和3D炭纤维编制体
为原料,采用先驱体浸渍一裂解(PIP)工艺制得了炭纤维增强氮化物基体的复合材料,并对复合材料基体的抗氧化
性以及抗烧蚀性能进行了研究。结果表明:混杂先驱体中含有B.N、B.H、Si.N、Si.H、N.H等结构,无其他杂质;基
[7]Manoeha L M,Manocha S,Patel K B,et a1.Oxidation behav—
iour of carbon/carbon composites impregnated with silica and sil·
40.
(几心iG Jian-chun,I-IUANG Bo-ytm,XIONG Xiang.The rela-
b吐W嘲surface tionship
quality and the running in ch卸阳ctcr of
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wa s a d o p t e d t o a n a l y z e t h e c h a n g e o f v o l u me 1 O S S ,t h e e v o l v e me n t r u l e o f s u r f a c e r o u g h n e s s a n d t h e a b l a t i o n p r o p e r t i e s v a r i a t i o n
Li u Na , Ya n g Qi n g s h e n g ,Hu a n g Yi f e n g
( 1 . C o l l e g e o f I V I e c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Ap p l i e d El e c t r o n i c s T e c h n o l o g y,B e i j i n g U n i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y,
p l i n g mo d e l g o v e r n e d b y s u r f a c e e r o s i o n l a w wa s b u i l t b a s e d o n t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s t h r o u g h AL E me t h o d a n d e mb e d d e d i n
C c o mp o s i t e p r e s e n t s a t y p i c a l n e e d l e s h a p e i n t h e mi c r o me c h a n i c a 1 s c a l e .I n t h e ma c r o s c a l e ,a mu l t i s c a l e t h e r mo — me c h a n i c a l C O U
第 9 卷
第 2期
中 国 科 技 论 文
CHI NA S CI E NCEP AP ER
Vo I . 9 No . 2
Fe b .2 0 1 4
2 0 1 4 2月
碳/ 碳 复 合 材 料 表 面 烧 蚀 多 尺 度 粗 糙 度 模 拟
刘 娜 , 杨 庆 生 , 黄 秫 丰
o f t h e c / c c o mp o s i t e s d u r i n g t h e a b l a t i o n p r o c e s s a t h i g h t e mp e r a t u r e r a d i a t i o n s u r r o u n d i n g s .T h e a b l a t i o n mo r p h o l o g y o f t h e c /
同, 材 料 的表 面 应 力 也 相 应 变 化 。 关键词 : c / c复合材料 ; 表 面烧蚀 ; 粗糙度 ; 多尺度 ; 有限元法 ; 计算机模拟 中 图分 类 号 : T B 3 3 2 文献标志码 : A 文章编号 : 2 0 9 5 —2 7 8 3 ( 2 0 1 4 ) 0 2 —0 2 2 4— 0 6
Mu l t i s c a l e r o u g h n e s s mo d e l i n g o f s u r f a c e a b l a t i o n i n c a r b o n / c a r b o n c o mp o s i t e s
( 1 .北 京 工 业 大 学机 械 工 程 与 应 用 电子 技 术 学院 , 北京 1 0 0 1 2 4 ; 2 .国机 集 团 北 京 飞机 强度 研 究 所 , 北京 1 0 0 0 8 3 )
摘 要 : 通过建立碳/ 碳( c / c) 复合材料在宏观、 微观 不同尺度上 的烧蚀模 型, 利用有限元方 法分 析 了 c / c复合 材料在烧蚀 过程 中 的体 积损 失 、 表 面 粗 糙 度 以及 烧 蚀 性 能 的变 化 规 律 。 微 观 上 , 模 拟 了材 料 烧 蚀 呈 现 的尖 笋 状 粗 糙 度 形 貌 。 宏 观 上 , 采 用 AL E 方法, 并基于实验结果通过 F o r t r a n编 程 控 制 材 料表 面 烧 蚀 后 退运 动 , 建立 了 c / c 复 合 材 料 表 面 烧 蚀 的 多尺 度 热 力 耦 合 分 析 模 型, 并进行瞬态有 限元分析 。结果表 明: 材料 烧蚀表面粗糙度程度 与烧蚀速率 、 材 料性能 密切相 关; 并且 随着材料烧蚀程 度 的不
A b s t r a c t : Ma c r o s c a l e a n d mi c r o s c a l e a b l a t i o n mo d e l s o f c a r b o n / c a r b o n( c / C )c o mp o s i t e s we r e e s t a b l i s h e d .F i n i t e e l e me n t me t h o d
B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 , C h i n a ; 2 .B e i j i n gAi r c r a S t r e n g t h I n s t i t u t e ,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a )
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