氧乙炔与等离子烧蚀试验的系统评价研究

针对航天用复合材料烧蚀性能考核应用需求,本工作搭建了氧乙炔及等离子烧蚀热流密度测试平台,系统评价了影响烧蚀热流密度的主要因素,比较了两种烧蚀方式热流密度的差异,建立了烧蚀条件与热流密度的数学物理模型,提出了烧蚀热流密度的控制策略。结果表明:氧乙炔烧蚀及等离子烧蚀的热流密度均随烧蚀距离的缩短而增大,与烧蚀距离的倒数呈抛物线关系。距离较远时,氧乙炔烧蚀热流密度较大;距离较近时,等离子烧蚀热流密度超过氧乙炔。F4等离子喷枪烧蚀热流密度的变化规律与9M喷枪规律类似,但随着烧蚀距离、电流及辅气流量的变化更为显著。此外,辅气(H_(2))流量增加及电流增大均使等离子烧蚀热流密度增大。

SiC涂层对C/C复合材料高温氧乙炔焰烧蚀性能影响

采用化学气相反应法在C/C复合材料表面制备抗氧化SiC涂层,借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段,研究涂层的结构;通过氧乙炔焰烧蚀试验考察SiC涂层对C/C复合材料高温耐烧蚀性能影响。结果表明:SiC涂层可明显提高C/C复合材料的高温短时耐烧蚀性能,经过20 s的高温氧乙炔焰烧蚀后,C/C复合材料试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为13μm/s和6.6 mg/s,SiC涂层试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为22μm/s和0.5 mg/s;在烧蚀中心区,涂层试样的烧蚀以升华分解为主,同时还伴有氧化烧蚀和微区机械剥蚀;在烧蚀过渡区,涂层的烧蚀机制以热氧化和燃气冲刷为主;而在烧蚀边缘区,涂层的烧蚀则主要表现为弱氧化烧蚀。

C/C-ZrC复合材料高温氧乙炔焰烧蚀性能及机理研究

采用基体改性技术将ZrC引入C/C复合材料中,制备了一种新型的C/C-ZrC复合材料。通过氧乙炔焰烧蚀实验,研究了ZrC含量及烧蚀时间对C/C-ZrC复合材料高温耐烧蚀性能的影响。用XRD和TEM对烧蚀后材料的相组成和微观结构进行了分析,结果表明,ZrC被氧化的主要生成物为ZrO2,伴有少量ZrC和C,含26.46%ZrC的C/C-ZrC复合材料,在氧乙炔焰烧蚀50 s后,在材料表面生成致密的ZrO2膜,阻挡了氧对基体的扩散,并有隔热作用,有效保护复合材料被烧蚀和冲刷。实验表明,复合材料在高温氧乙炔焰烧蚀20 s后,线烧蚀率和质量饶蚀率分别为0.012 mm/s和0.003 3 g/s,比C/C复合材料分别降低7.6%和50%。

热解炭涂层对C/C复合材料高温氧乙炔焰烧蚀性能的影响

采用化学气相沉积工艺在C/C复合材料表面制备热解炭涂层,利用扫描电镜以及能谱仪等分析手段研究涂层的结构,通过氧乙炔焰烧蚀试验考察热解炭涂层对C/C复合材料高温耐烧蚀性能的影响。结果表明:在C/C复合材料表面沉积热解炭涂层可显著提高材料的短时高温耐烧蚀性能。经过20 s的高温氧乙炔焰烧蚀后,与无热解炭涂层的C/C复合材料试样相比,涂层试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别下降26.92%和75.76%。在烧蚀中心区,热解炭涂层完全被烧蚀损耗掉;在烧蚀过渡区,涂层表现为局部烧穿;而在烧蚀边缘区,涂层表面烧蚀后形成了众多的烧蚀孔洞,呈现出蜂窝状的结构形貌。烧蚀过程中,涂层的烧蚀机制以热氧化和燃气冲刷为主。

辐射/烧蚀交替型柔性防热复合材料

通过优化防热方式,提高柔性防热材料的烧蚀防热性能,设计制备了一种辐射/烧蚀交替型柔性防热材料,该柔性防热材料由多层复合防热布叠合构成,复合防热布是一种烧蚀体表面附着辐射层的复合材料,并通过氧乙炔烧蚀试验评价了其热防护性能。通过辐射层表面处理方法提高辐射层与烧蚀层的粘接性,用T型剥离试验、SEM评价了其粘接性能。结果表明,较烧蚀型防热材料,辐射/烧蚀交替型柔性防热材料具有更优异的热防护性能,烧蚀后防热层完好数更多,背温更低;表面处理方法可有效提高剥离强度,在处理剂浓度为5%时,效果最佳。

硅橡胶涂覆织物的阻燃和烧蚀性能

为了提高硅橡胶涂覆织物的阻燃和烧蚀性能,本文采用在硅橡胶组分中添加阻燃剂的方法,制备出新型阻燃硅橡胶涂覆织物,对其阻燃性能与烧蚀性能进行测试,并与军用硅橡胶涂覆织物进行对比分析。实验结果表明:新型阻燃硅橡胶涂覆织物W-1和W-2的阻燃性能分别优于军用硅橡胶涂覆织物J-1和J-2,氧指数更高,续燃时间更短;两者的烧蚀性能比较接近,阻燃硅橡胶涂覆织物的氧乙炔烧蚀试验的停车时温度略低、最高温升却略高,且烧蚀层、完好层相近。

纤维织物和耐烧蚀填料对硅橡胶涂覆织物性能的影响

为研制防隔热效率更高的耐烧蚀硅橡胶涂覆织物,采用不同种类的纤维织物和耐烧蚀填料制备出多种新型硅橡胶涂覆织物,并分别研究了纤维织物种类、耐烧蚀填料种类和用量对硅橡胶涂覆织物力学性能和烧蚀性能的影响。实验结果表明:当选用碳纤维布(T300)作为增强骨架材料时,硅橡胶涂覆织物的烧蚀性能最优;随着耐烧蚀填料添加量的增大,硅橡胶涂覆织物的邵氏A硬度逐渐增大,其拉伸强度和断裂延伸率均呈现出先升高后降低的趋势;综合考虑力学性能,耐烧蚀填料的最佳用量为2 g/100 g;耐烧蚀填料能有效提高硅橡胶涂覆织物的烧蚀性能,其中酚醛纤维和黏胶基碳纤维的增强效果更好。

高硅氧/酚醛复合材料烧蚀环境下的吸热机理

通过分析高硅氧/酚醛复合材料烧蚀过程中的吸热机制,结合表面烧蚀理论和边界层空气动力学关系,应用质量引射影响系数的半经验公式,建立了烧蚀环境下吸热机理的理论预报方法,并利用氧乙炔焰动态烧蚀实验对该理论预报方法进行了验证。根据烧蚀过程达到稳态时烧蚀材料表面的能量守恒原理,推导了各吸热机理与总吸热量的比重关系,在给定的烧蚀环境工况下,预报了各吸热机理占总吸热量的比重。结果表明,熔融高硅氧纤维的蒸发吸热对总吸热量的贡献最大,所占比重为44.9%,是主要的吸热机制;材料的热容吸热和烧蚀材料向外界环境的热辐射占总吸热量的比重分别为22.3%和20.1%;树脂热解吸热所占比重很小,仅为1.0%,但热解气体引射进入边界层产生热阻塞效应占总吸热量的比重较大,为11.7%。

Gr/Al防热材料的传热特性

通过对Gr/Al防热材料进行氧乙炔烧蚀实验,测定其在烧蚀过程中的升温特性曲线。发现在烧蚀过程中Gr/Al中Al的熔化和蒸发有效地减缓了材料的升温速率,起到很好的热防护作用,并根据Gr/Al的传热特性,建立了传热模型,理论计算与实验结果吻合较好。

硅橡胶涂覆织物的性能优化研究

为优化硅橡胶涂覆织物的防隔热效率,在硅橡胶基体中添加新型耐烧蚀填料,采用新型骨架材料,制备出耐烧蚀硅橡胶涂覆织物;分别研究了纤维织物、耐烧蚀填料对硅橡胶涂覆织物的柔性、拉伸性能和烧蚀性能的影响。试验结果表明:硅橡胶涂覆织物的柔性和拉伸性能主要由纤维织物决定;M40J碳纤维织物作为骨架材料的硅橡胶涂覆织物烧蚀性能更优;当添加短切黏胶基碳纤维作为耐烧蚀填料时,硅橡胶涂覆织物在较高热流条件下(480 kW/m 2、120 s)的防隔热效率更高。

RMI法制备穿刺C/C-SiC复合材料的微结构及烧蚀性能

以无纬布/网胎0°/90°叠层穿刺三维四向预制体为增强体,采用化学气相渗透(chemical vapor infiltration,CVI)、树脂浸渍碳化(polymer infiltration carbonization,PIC)与反应熔渗(reactive melt infiltration,RMI)复合工艺制备穿刺C/C-SiC复合材料,研究其微观组织及在C_(2)H_(2)-O_(2)焰中的烧蚀行为。结果表明:无纬布、穿刺纤维束由CVI+PIC制备的碳基体填充而形成致密C/C区域,RMI生成的SiC主要位于网胎层中,其含量为37.3%(质量分数)。复合材料表面因过量硅化而形成了SiC富集层。当烧蚀距离为20 mm、O_(2):C_(2)H_(2)=2:1时,烧蚀600 s后材料X-Y、Z向线烧蚀率分别为0.8×10^(-4)、3.6×10^(-4) mm/s,比先驱体浸渍裂解(polymer infiltration pyrolysis,PIP)工艺制备C/C-SiC材料烧蚀率小1个数量级。烧蚀面SiC富集层保护及被动氧化作用是材料具有优异抗氧化烧蚀性能的主要原因。随烧蚀距离由20 mm向10 mm减小,复合材料烧蚀率先缓慢变化后快速增大,烧蚀率快速增长阶段复合材料发生主动氧化烧蚀。

HfC-SiC复合涂层的制备及高温耐烧蚀性能研究

通过高温化学反应在C/C复合材料表面制备了HfC-SiC复合涂层,利用氧乙炔火焰研究了涂层的高温耐烧蚀性能,并对烧蚀前后涂层进行了微观结构表征。结果表明:制备的HfC-SiC复合涂层由粗大的SiC颗粒和细小HfC颗粒组成,颗粒呈现出镶嵌式堆积结构且连续致密,厚度约30μm。经过20 s的氧乙炔火焰烧蚀后,涂层试样的线烧蚀率为0.0065 mm/s,质量烧蚀率为0.0003 g/s。烧蚀后涂层表面形成了一层疏松多孔状的HfO_(2)氧化层,并包裹在SiC颗粒周围形成镶嵌式结构;而内涂层仅发生轻微氧化,且涂层与基体结合紧密,界面未发生氧化破坏痕迹,表明HfC-SiC复合涂层在高温下可以对C/C基体起到良好的保护作用。

ZrC-HfC-TaC改性C/SiC复合材料的循环氧化烧蚀行为

难熔金属碳化物改性是提升陶瓷基复合材料抗氧化性能的有效途径。然而,ZrC-HfC-TaC改性对循环氧化烧蚀性能的影响却鲜有报道。利用前驱体浸渍裂解结合化学气相沉积工艺构筑了ZrC-HfC-TaC改性C/SiC复合材料,剖析了1600℃/5 h循环静态氧化后材料的力学强度、化学组成以及微观结构的变化,根据表征结果提出了改性后材料的抗氧化机理,并利用1700℃/4000 s循环氧乙块焰烧蚀试验验证了ZrC-HfC-TaC改性对提升循环氧化烧蚀性能的有效性。研究表明,经过ZrC-HfC-TaC改性的C/SiC复合材料具备优异的高温循环氧化烧蚀性能。

泡沫炭材料表面二氧化硅气凝胶水分散体制备及性能表征

以涂刷法制备了泡沫炭材料表面二氧化硅气凝胶水分散体涂层，研究了二氧化硅气凝胶水分散体涂层对于树脂基泡沫炭热性能的影响。利用LFA457激光导热仪考察泡沫炭材料与二氧化硅／泡沫炭材料25℃、200℃、400℃、600℃的热学性能，结果表明两种材料的导热系数均随着温度的升高而升高，且二氧化硅／泡沫炭材料不同温度下的导热系数均高于泡沫炭材料。使用氧乙炔试验考察高温下二氧化硅气凝胶涂层的结构变化，结果表明二氧化硅气凝胶结构在高温下极易受到破坏，只能在特定温度条件下发挥作用。