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炭纖維增強樹脂基隔熱復合材料
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| 發(fā)布時間：
2022/5/9 |
炭纖維增強樹脂基隔熱復合材料
耐燒蝕隔熱復合材料結構的燒蝕可以分為表面燒蝕和體積燒蝕。表面燒蝕又稱為線燒蝕，是指發(fā)生在結構表面的燒蝕，主要包括表面材料與環(huán)境氣流的熱化學反應、材料的熔化、蒸發(fā)、升華、高速粒子沖刷以及機械剝蝕引起的質量損失。體積燒蝕是指結構內部材料在較低溫度(相對于表面燒蝕而言)下因熱解反應或熱氧化反應導致的質量損失。
樹脂基隔熱復合材料主要是利用高相變熱、低熱導率的有機和無機組分，在吸收氣動加入的大量熱流后發(fā)生相變，并隨著相變物質的質量流失把熱量帶走，從而起到保護內部結構的作用。
樹脂基復合材料的燒蝕隔熱過程是一個物理與化學交互作用的復雜過程，要清楚地描述這一過程是很困難的，這里僅做簡單介紹。當材料暴露在燒蝕環(huán)境時，首先是起散熱體的作用。隨著熱勢加劇，樹脂基體外層變?yōu)轲ば泽w，而后開始降解，產生泡沫狀炭物質，最終形成多孔焦炭。焦炭是一種結構相對較脆的材料，在高速氣流的沖刷作用下一部分焦炭被吹走，從而帶走大量熱量。同時，其余焦炭能與增強纖維形成整體而不分離，使材料在燒蝕條件下不致完全破壞。焦炭本身是一種絕熱體，而且從內部的樹脂基體分解產生的揮發(fā)物可滲透到焦炭中，能使其進一步冷卻。這是由于揮發(fā)物被加熱到極高溫度進而分解出更低分子量的裂解物，這種裂解物的耗散可帶走大量的熱能，從而阻礙了熱量向材料內部的傳入。
燒蝕過程中表現(xiàn)出來的各種物理和化學現(xiàn)象，決定于材料本身的特性以及外界的氣動熱環(huán)境。在穩(wěn)定的條件下，燒蝕過程也相應地確定，這便是通常所說的穩(wěn)態(tài)燒蝕。穩(wěn)態(tài)燒蝕是指相對不變的熱環(huán)境中材料的燒蝕出現(xiàn)一個動態(tài)平衡的現(xiàn)象，使空間上各點的物性、熱力學參數(shù)不隨時間而改變，進入材料的氣動加熱熱流值穩(wěn)定，因而液態(tài)層、炭化層和熱分解層厚度一定。其厚度值決定于復合材料中樹脂的熱分解溫度、炭化溫度及纖維的熔融溫度，同時各個界面層也以同樣速度向深處推進，形成穩(wěn)定的燒蝕率。而在燒蝕開始階段則有一個短暫的非穩(wěn)態(tài)過程，以炭纖維/酚醛樹脂復合材料為例，燒蝕過程大致可描述如下。
?、購秃喜牧媳旧淼臒崛菸?。氣動加熱初期(表面未達到燒蝕之前)，防熱材料依靠自身的熱容吸收熱能而升溫。由于炭纖維不熔化，可升到較高的溫度。炭纖維/酚醛樹脂復合材料的熱導率較大，因而向內傳遞的熱能較多，這就導致燒蝕過程中炭化層加厚。但是玻璃(高硅氧)纖維/酚醛樹脂復合材料與之不同，其熱導率低，只有少部分熱流向內傳遞，會使表面溫度迅速升高。
?、跇渲w的熱分解吸熱。當材料的溫度上升到樹脂基體的分解溫度時，樹脂開始分解并吸收大量熱能(約為360kJ/m01)；同時熱解產生大量氣體向外逸出并帶走熱量，熱解氣體的主要成分是氫氣和苯酚，以及甲酚、一氧化碳、甲烷和水等。隨著溫度進一步升高，熱解過程基本完成，熱解層變成多孔的焦炭炭化屢。炭纖維/酴罄樹脂復合材料在高溫下可生成較厚的堅硬炭化層，炭化層總質量可達原防熱層材料質量的85％。由于表面溫度高，炭化層具有石墨化的傾向，這就使炭纖維/酚醛樹脂復合材料在一定程度上兼有石墨或c/c復合材料的燒蝕性能。此時，從防熱樹料的厚度方向來看，由表向里可分為四層：
a．最外層，直接承受氣動熱，溫度為1600～2500℃，生成穩(wěn)定的炭化層，具有石墨化傾向，氣孔率高；
b．次外層，也為穩(wěn)定的炭化層，溫度為1000～1600℃，完全熱解炭化但不出現(xiàn)石墨化傾向；
c．熱解層，包括部分不穩(wěn)定炭化層，溫度為650～1000℃；
d．材料本體層，基本來發(fā)生化學變化。
?、厶炕瘜颖砻娴幕瘜W反應、升華和熱輻射。表面層在附面層中氧的作用下發(fā)生化學反應并放出熱量(與C/C復合材料近似)。由于表面溫度很高，大量熱量以熱輻射的形式放出，同時部分碳分子發(fā)生升華吸熱。
?、堋盁嶙琛毙蛣兾g現(xiàn)象。隨著燒蝕過程的進行，炭化層、熱解層和熱影響層的層閿界面逐漸向材料深部推進，界面處不斷產生的熱解氣體產物穿過炭化層把大量的熱量帶入附面層，同時阻止附面層的熱量向內傳遞，還能阻止附面層中的氧氣與炭化層接觸而發(fā)生燃燒反應，即所謂“熱阻"效應。但這種熱解氣體也會導致炭化層破碎而隨氣流流失，即“機械剝蝕”。所以熱解氣體在防熱中具有雙重性，過多的氣體產物會導致嚴重的機械剝蝕。對于彈頭錐面的防熱層材料還須注意炭布層取向與氣流的關系，當布層與氣流成90度時易發(fā)生機械剝蝕，而在30度時則不易發(fā)生。此外炭纖維的耐氧化性能、樹脂的熱解產物及成炭性能，都會影響到剝蝕現(xiàn)象。所以，如何選擇原材料和工藝，對防止或減輕機械象8蝕，保持防熱層的結構完整性，提高耐燒蝕性能是非常重要的。
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