碳/酚醛复合材料烧蚀行为探讨范文

《复合材料学报》2015年第六期

摘要：

对用做钝头体高超声速飞行器热防护的碳/酚醛复合材料在典型服役环境下的烧蚀机制进行了研究，建立了烧蚀过程的数学模型。利用有限元方法实现数学模型的求解，预报了冷壁热流4002kWm、焓值51MJkg的气动热环境下碳/酚醛材料的烧蚀行为。对于20mm厚度的碳/酚醛材料，受热过程中碳化层深度持续增加，100s时刻表面温度达到1405K，背壁温度为497K，孔隙热解气体压力达18.1atm。本研究为具有长时间大面积热防护需求的高超声速飞行器的热护设计提供了有力支持。

关键词：

碳/酚醛；热防护；多物理场；烧蚀；有限元

碳/酚醛复合材料作为一种轻质强韧化防热材料，具有防热效率高、防隔热一体、抗剪切能力强、烧蚀后退量小等特点，主要用于钝头体热防护[1]。由于占飞行器较大比重，其冗余设计对于整个飞行器的质量控制有关键作用[2]。准确的掌握碳/酚醛复合材料烧蚀特性能够解决过度冗余或防热设计可靠性不足的问题[3,4]。热防护材料在烧蚀过程中通过自身温升、表面材料相变、化学反应等吸收能量以达到防隔热的效果。Beacher,S.J.等[5]建立了普遍的热化学烧蚀模型。J.B.Henderson等[6]研究了聚酯基防热材料服役环境下的基体热解与热变形过程，并采用一维模型计算材料烧蚀过程中的温度、热解气体压强等参数的动态变化过程。Hogan等[7]利用控制容积法解算了轴对称模型的能量传递方程，并利用非结构化动网格模型获得了材料烧蚀过程中的表面后退率。

陈海龙等[8]基于体积烧蚀条件下的三维多物理场耦合控制方程预报了高硅氧/酚醛复合材料在酚醛树脂热解反应过程中的温度场、位移场、孔隙压力以及树脂残留率等热力学响应。李玮洁等[9,10]研究了发生表面后退的碳化烧蚀体的非线性热解层模型。由于现代设计和分析工具的飞速发展，如ProEngineer等工程软件允许可建立复杂的几何模型，NASTRAN和PATRAN等分析工具使复杂结构体的热分析更容易实现[11,12]。但是，目前尚无能进行高精度烧蚀热响应分析的工程软件。有一些可用于烧蚀分析的计算代码如CMA[13]和FIAT[14]等，但他们都是基于一维有限差分法，并不兼容现代设计工具。本文研究了中低热流密度下碳/酚醛材料的防热机制，建立了其烧蚀模型，并借助于有限元软件预报了其烧蚀行为。

1碳/酚醛复合材料的防热机制

碳/酚醛主要用于钝头体的大面积热防护，其典型服役环境为：以对流换热为主的中低热流环境(0.1~1.5MW/m2)、中等焓值(5~15MJ/kg)。在此服役环境下，假设增强相在高温下不发生化学反应，即固体材料表面不发生后退。则碳/酚醛防热材料的能量耗散机制包括：（1）材料表面热辐射；（2）固体相的温升吸热；（3）孔隙内热解气体的温升和膨胀吸热；（4）基体热解反应吸热；（5）材料表面高温热解气体引射；（6）质量引射引起“热阻塞”效应。碳/酚醛烧蚀材料的烧蚀过程是极为复杂的，是一个固体传热、传质和化学反应等多物理场同时变化而且相互耦合影响的过程。各场之间的耦合关系具体如下：固体热传导决定的固体温度影响树脂材料的高温化学反应速率，反之，热解反应产生热效应以及伴随的酚醛树脂的热物理性质变化影响固体热传导过程。固体温度分布的变化影响孔隙内热解气体的温度压力等参数变化，反之，热解气体的在固体孔隙内的对流换热以及材料表面的引射作用影响固体内部分布以及表面热载荷的阻塞效应。热解气体的温度压力对于反应速率有直接影响，反之酚醛树脂高温化学反应产生的热解气体是质量传递过程的质量源。

2烧蚀过程的数学模型

分别从能量和质量传递的角度对烧蚀模型进行分析。研究材料的表面能量平衡关系、热解气体传质过程、热化学反应速率、能量传递过程。全面建立描述烧蚀过程的数学模型。

2.1表面能量平衡根据表面能量平衡关系，建立材料的表面能量平衡方程。

2.2热解气体传质过程材料烧蚀过程中，基体高温反应生成了热解气体，热解气体在固体相的孔隙中扩散，这里从质量守恒原理出发，推导气体相的扩散控制方程。

2.3热化学反应速率树脂基体在高温下发生热解反应，假设基体由多种组分组成，而任一组分的热解反应速率可由Arrhenius动力学反应方程表示，若第k种组分的反应级数为。

2.4能量传递过程与非烧蚀材料不同，烧蚀材料内部的能量传输通过两种方式进行—传导传热和传质传热。同时，由于热解反应过程中伴随着化学能的转化，反应发生前后物系焓值不守恒。考虑化学反应的焓变效应，微元体的能量平衡方程。

3碳/酚醛复合材料的热物理性质

通过实验手段和调研资料可以获得原始材料和完全碳化材料的密度、孔隙率、渗透率、热导率、热容等参数随温度变化的热物性参数[15]。烧蚀材料固体相的热物理性能是随温度、碳化程度不同而实时变化的，而我们难以测量这些参数的实时变化特性，因此需要采用合理的热物理性能变化模型。

4算例

本文借助于COMSOLMultiphysics软件，利用有限元法对描述烧蚀过程的控制方程进行求解。预报厚度为20mm的碳/酚醛材料在模拟热环境下的烧蚀过程，热环境参数与模型的初始条件和边界条件如表1所示。图1~图3分别给出了碳/酚醛材料不同时刻的温度分布、热解气体压力分布和热解程度分布云图。由图1可知，碳/酚醛材料表面温度随着加热时间持续升高，但表面温升速率降低，100s时刻表面温度为1405K。背壁温度在加热前期缓慢升高，而后温升速率逐步加快，100s时刻背壁温度达到497K。根据图2，材料的基体相发生热解反应生成大量的热解气体，虽然热解气体通过表面不断逸出，但由于热解反应的持续进行和材料内部的温度的升高，材料孔隙中的热解气体压力仍然持续增大。100s时刻热解气体的最大压力达到18.1atm。由图3可知，靠近受热面的碳/酚醛材料温度较高，很快发生完全热解形成碳化层（热解程度=0），背壁附近的材料温度较低，几乎未发生热解反应，为原始材料层（热解程度=1）。碳/酚醛材料受热过程中，碳化层深度持续增加，原始材料层厚度持续减小。

5结论

（1）碳/酚醛复合材料在中低热流水平服役环境下下的能量耗散机制包括：材料表面热辐射、固体相温升、热解气体的温升与膨胀、基体热解反应、热解气体引射以及“热阻塞”效应。（2）碳/酚醛烧蚀材料的烧蚀过程是固体传热、传质和化学反应等多物理场同时变化而且相互耦合影响的过程，分别建立了各个物理场的控制方程。（3）通过采用有限元法计算型服役环境下碳/酚醛复合材料的烧蚀行为，证明预报方法具有可行性，为热防护设计提供了一种有效工具。

作者：朱燕伟 孟松鹤 易法军 赵小光 潘威振 单位：哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所 中航沈飞民用飞机有限责任公司