碳基烧蚀材料高温氧化反应机理的分子动力学研究

本文采用基于紧束缚密度泛函理论的分子动力学,研究高温下碳基烧蚀材料三种模型(无缺陷、原子缺陷以及孔洞缺陷)的氧化反应机制.研究发现高温下的反应产物主要是CO和CO_(2).CO的产生过程主要源于环氧基团中C-C键的裂解,而CO_(2)的形成则较为复杂,主要源于小分子团簇(C_(2) O_(2)、C_(3) O_(1)、C_(4) O_(1))的裂解.C-C键裂解是石墨氧化反应的主要途径,C-O键形成是CO和CO_(2)生成速率的控制因素.此外,体系的温度、缺陷以及孔洞对石墨的氧化反应机制有重要的影响.通过分析氧化反应速率,计算得到三种模型氧化反应的活化能分别为7.56、2.4和1.6 kcal/mol.缺陷越明显活化能越低,则氧化反应速率较高,无缺陷的模型由于活化能最高,其氧化反应速率最低.

风洞模型位移光学测量技术应用综述

风洞试验中,模型姿态的测量是影响数据精准度的一个重要因素,而测量上的一个微小变化,常常对实际应用价值造成巨大影响。当代测量技术发展的一个新领域是应用光学技术。概述了国外主要的风洞模型位移光学测量系统,包括测量依据、应用风洞、模型要求、数据后处理以及精度情况。这些测量系统应用于静态试验和动态试验中,用于模型位移、姿态角和弯曲变形的测量。从应用现状、应用环节、操作步骤、发展趋势等方面进行了描述,并给出了结论。比较这些模型位移光学测量技术可知它们各有优缺点,应用条件不一样。

乳化沥青水泥路面混凝土强度形成机理

结合乳化沥青对水泥砂浆的作用机理、热拌沥青混合料和乳化沥青混合料强度形成机理,简要论述乳化沥青水泥路面混凝土(EACPC)强度形成机理,认为EACPC强度主要来源于水泥颗粒与乳化沥青颗粒构成的“密实-骨架”结构,强调水灰比(W/C)对其强度的影响,总结EACPC具有较好耐久性的原因,认为EACPC具有较好的工程应用效果。

改性有机硅防水剂对混凝土性能影响

针对混凝土工程的渗漏问题,参考混凝土防水剂试验方法,研究了有机硅和改性有机硅防水剂对混凝土泌水率、凝结时间、抗压强度及抗渗等性能的影响。结果表明：有机硅防水剂能够减小混凝土泌水率,延缓凝结时间,提高抗压强度,明显改善抗渗性能。

矿物掺合料和外加剂复合使用抑制ASR的效果研究

为研究矿物掺合料和外加剂复合使用抑制ASR的效果,应用CECS 48∶93标准,研究了粉煤灰和硅灰复合使用,粉煤灰、硅灰和高效减水剂复合使用,粉煤灰、硅灰和引气剂复合使用抑制ASR的效果.试验结果表明:当基准砂浆水胶比一定,且对比砂浆与基准砂浆具有相同流动度时:(1)粉煤灰和硅灰复合使用在一定程度上可以抑制ASR,粉煤灰掺量越高其抑制效果越明显.(2)粉煤灰、硅灰和高效减水剂复合使用时能够抑制ASR,其抑制效果优于粉煤灰、硅灰单独复合使用时的效果.(3)粉煤灰、硅灰和引起剂复合使用时能够抑制ASR,其抑制效果也优于粉煤灰、硅灰单独复合使用时的效果.

水胶比对碱骨料反应抑制措施的影响

依据CECS48:93标准,以高碱水泥和活性骨料配制的砂浆棒为基准试件,研究了不同水胶比对矿物掺和料单掺、矿物掺和料+引气剂复掺、矿物掺和料+高效减水剂复掺、矿物掺和料+高效减水剂+引气剂三掺4种砂浆抑制碱骨料反应效果的影响.结果表明:当水胶比小于0.50(质量比)时,该比值越小,矿物掺和料(粉煤灰、硅灰)单掺、矿物掺和料+引气剂复掺、矿物掺和料+高效减水剂+引气剂三掺砂浆抑制碱骨料反应的效果越好;当水胶比为0.30～0.35或大于0.40时,采用高效减水剂、矿物掺和料复掺抑制碱骨料反应的效果随水胶比增大而增大.

复合型渗透结晶防水涂料的开发研究

采用正交因素分析方法,通过研究不同掺量的催化剂、调凝剂、减水剂、激发剂对水泥基渗透结晶防水涂料性能的影响,确定了最佳的配合比,研制开发的渗透结晶型防水涂料经工程应用表明防水效果良好。

聚合物和纤维复掺对砂浆抗裂性能的影响研究

外墙涂料易于开裂的主要原因在于砂浆的开裂,利用单因素方法,在普通砂浆中加入2种聚合物、木质纤维素、膨胀剂和减水剂配制一种抗裂建筑砂浆。性能测试表明,该砂浆与普通砂浆相比,强度损失和质量损失均较小,各项技术指标达到标准要求,在实验室条件下该砂浆能够防止外墙涂料开裂。

涂层孔隙对基体碳/碳材料的氧化损伤模拟

碳/碳(C/C)复合材料广泛应用于高超声速飞行器,其表面有碳化硅(Si C)基的保护涂层,旨在将氧气与底层基体C/C隔离。涂层中存在的孔隙成为氧气直达底层C/C材料的通道。C/C材料被氧化,侵蚀出空穴,严重时造成局部热防护失效。针对原有的气体扩散两步模型进行了改进,去掉了O2/CO反应界面固定的限制,考虑了空穴中扩散的影响,提出了折合孔隙深度与弯曲因子的处理方法。采用改进模型模拟涂层下面C/C材料氧化空穴半径,计算值与试验测量值吻合良好,验证了模型的有效性。改进模型可用于预测涂层保护的基体C/C材料的氧化空穴尺寸和评估氧化损伤。

恒温环境中ZrB2氧化行为模拟

二硼化锆(ZrB2)是一种应用于高超声速飞行器的新型防热材料,近年来受到广泛关注。本研究根据ZrB2在不同温度下的氧化产物二氧化锆(ZrO2)与三氧化二硼(B2O3)的微观结构和形貌,改进了原有的ZrB2氧化唯象模型,研究了ZrB2的氧化行为,提出了中等温度区间液态B2O3的生成、蒸发、填充的动态平衡关系,并考虑了孔隙出口处的B2O3蒸气浓度。研究结果表明:改进后的模型能够预测低流速准静态条件下ZrB2的氧化行为,与加热炉中的样品恒温氧化测试结果吻合良好;孔隙对氧化过程有较大影响,在相同的温度、氧分压下,孔隙率越大,被氧化程度越高;在基材表面存在B2O3液态膜的情况下,扩散过程对氧化速率的控制被极大地降低,材料表现出最强的抗氧化性能。

严寒地区自保温砌块的研制

针对西北严寒地区,以水泥、粉煤灰、陶粒、烧过后的牛粪灰等为主要原料,采用砌块的立方体抗压强度、导热系数、抗冻能力3个指标作为主要考核对象,试制了一种自保温砌块。该自保温砌块强度达到了A7.5级,而其导热系数能够满足A5.0级的要求,冻融循环后的强度达6.58MPa,冻融后的质量损失率为2.56%,远小于标准要求。

碳/碳化硅复合材料静止环境下氧化行为模拟

碳/碳化硅(C/SiC)复合材料是应用于临近空间高超声速飞行器热防护的一种新型防热材料.国内外通过性能测试较多地研究了材料不同制备工艺对抗烧蚀性的影响,提出的抗烧蚀分析理论模型均基于液态氧化膜.而近期开展的C/SiC复合材料管式炉加热实验和试样微观形貌电镜表征显示常压下,当温度低于1696 K时,C/SiC复合材料氧化后表面形成了多孔的固态氧化膜.采用压汞法测试了氧化物孔隙.基于孔隙中的气体扩散行为,结合氧化反应动力学关系,建立了一种新的C/SiC复合材料惰性氧化模型.模型预测值与实验结果吻合良好,表明该惰性氧化模型对氧化膜厚度和质量损失具有较好的预测能力.

高渗透性防水剂在轻质气泡水泥中的应用研究

用高渗透性防水剂FSJ对轻质气泡水泥进行表面喷涂处理,能显著提高其憎水性能,改善轻质气泡水泥因较高的吸水、吸湿性对其自身的保温、隔热、隔声和力学性能等所造成的负面影响,同时,FSJ防水剂不影响基材原有的呼吸性能。

高性能混凝土结构(HPCS)中的ASR及抑制措施评价

对ASR发生的化学机理进行了回顾。ASR发生的化学反应机理可以分为2步:1骨料颗粒外部OH-离子入侵活性颗粒,断开活性颗粒≡Si-O-Si≡的链接,形成分散的Si2+;2外界离子(K+,Na+,OH-)和≡Si-O-结合形成水化石灰石-Na-Si-复合物,该复合物吸水膨胀产生压力。利用ASR的化学反应机理分析和评价了普通混凝土中单种抑制材料抑制ASR的效果。由于HPC配合比设计时组成材料众多,根据ASR化学反应机理,研究HPC结构中用来抑制ASR的措施,必须考虑各种材料的相互影响和叠加效应。结论认为要保证HPC结构中抑制ASR的效果,关键是降低HPC结构中活性颗粒周围孔溶液中离子的浓度,防止合适浓度的OH-出现。

活化粉煤灰对混凝土性能的影响

对低活性粉煤灰进行活化处理,再用于试配防水、泵送混凝土。试验结果表明:高活性粉煤灰对混凝土的性能有改善作用。

HTV2第二次飞行试验气动热环境及失效模式分析

采用数值模拟和工程计算相结合的方法对HTV2第二次飞行试验的热环境进行了复现,发现在40km以下,翼前缘驻点线会发生边界层转捩,引起前缘热流比层流情况增加55%,最大热流达到11MW/m^2,烧蚀量约为3mm,前缘高热流导致法向应力超过碳布层与层之间的粘接强度,而纵向应力小于碳布拉伸破坏极限。因此本文认为,HTV2第二次飞行试验失利的原因主要是:烧蚀叠加应力破坏,即在翼前缘由于烧蚀导致多层碳布被烧破,从而在翼前缘沿展向驻点线出现较长的破损口,而法向应力导致碳布层与层之间的粘接失去作用,在气动力作用下,可能从烧破的地方开始将碳布掀起,严重影响气动性能,最终导致飞行器无法控制。

新型水泥基防水涂料的试验研究

改性有机硅防水剂(FSJ)作为一种新型防水剂因具有优异的憎水性,近年来在防水工程中日益受到重视.但FSJ只适用于较细裂缝的修补,对于较宽裂缝防水效果不佳.针对这一缺陷,利用FSJ的高渗透性对水泥基防水涂料中的超细活性组分进行处理,经过系统性的试验,研制出一种比已有水泥基渗透结晶型防水涂料防水性能更好的新型水泥基防水涂料.该新型水泥基防水涂料能迅速渗透到砂浆或混凝土内部裂缝等缺陷处,与水泥基材产生反应,生成新的凝胶体及憎水性产物,堵塞毛细孔隙通道,并使裂缝缺陷处不易被水润湿,从而达到防水止漏的作用.由于能在基体中渗入到更深的深度与水泥基材产生化学反应,该新型水泥基防水涂料不仅进一步提高了涂层憎水性,而且改善了整个基体的防水性能,使得防水性能更持久可靠,同时还提高了混凝土的强度和耐久性,解决了单独使用有机硅防水剂对于屋面和墙面较宽裂缝修补效果不佳的问题.

新型改性有机硅防水剂合成工艺研究

利用丙烯酸系单体对普通有机硅防水剂进行改性,合成一种新型的改性有机硅防水剂。丙烯酸系单体比例为5%～13%,A、B2种表面活性剂复合使用且m(A)∶m(B)=1∶1时,对有机硅的改性效果最好。

碳基材料氧化烧蚀的快/慢反应动力学问题

在前期单/双平台问题研究的基础上^([1]),就学术上和工程应用中关注的碳在空气中燃烧的"快反应"和"慢反应"问题进行了深入分析,研究发现被广泛使用50余年的"慢反应"并不存在,而被弃置的"快反应"则真实存在,且具有重要的应用价值。采用"快反应"动力学数据,同时考虑CO、CO_2两个烧蚀产物,得到的无量纲烧蚀速率随温度的变化曲线存在两个平台,其中,温度稍低情况下出现的第一平台对应的主要烧蚀产物为CO_2,温度稍高情况下出现的第二平台对应的主要烧蚀产物为CO,且第一平台对应的无量纲烧蚀速率恰好是第二平台的1/2。过去常被忽略的CO_2扮演了重要角色,由它产生的第一平台,将以往文献中看似完全独立、毫无关系的"快反应"和"慢反应"曲线建立了联系。理论分析表明:第一平台之前的快速上升段属于从速率控制区到扩散控制区的过渡区,第一平台及其以后的区域都属于扩散控制区(包括两个平台之间的连接线),它是由反应生成物CO与CO_2的分压比δ从0到∞的变化引起的,与表面化学反应动力学条件完全无关。由"双平台"理论得到的从低温到高温、由速率控制区经由过渡区到达扩散控制区的整条烧蚀速率曲线,与实验结果完全吻合。

BODA对混凝土砌块抗压强度的影响试验研究

为研究BODA(burned ox dung ash)对混凝土自保温砌块抗压强度的影响.参照GB11968-2006《蒸压加气混凝土砌块》标准,制作了两组成分不同的试件,用万能压力机测试了试件的强度,并用电子显微镜检测了两组试件的微观结构.试验结果表明:加有BODA的混凝土砌块立方体抗压强度、轴心抗压强度要比未加的试件高.电镜扫描试验结果表明加有BODA的混凝土砌块内部孔结构分布均匀,孔内填充物程度较高,密实度高,骨料相和胶结相之间无裂缝,BODA与水泥二次反应所生成的水泥石成分起到了一种较好的连接作用.