低密度碳-酚醛復(fù)合材料燒蝕條件下的熱-化學(xué)耦合分析.pdf

1、近年來(lái)，為了適應(yīng)飛行器輕量化、低成本的趨勢(shì)以及對(duì)深空探測(cè)的需求，航天領(lǐng)域?qū)p質(zhì)燒蝕材料提出了迫切需求。PICA（Phenolic Impregnated Carbon Ablator）復(fù)合材料作為新一代低密度碳/酚醛材料，其密度是傳統(tǒng)碳/酚醛復(fù)合材料的1/5左右，并且具有非常優(yōu)異的防/隔熱性能和燒蝕性能，多次被成功應(yīng)用于大氣再入和星際探索飛行器的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)材料。在氣動(dòng)熱作用下，PICA復(fù)合材料會(huì)發(fā)生激烈的物理化學(xué)反應(yīng)甚至燒蝕現(xiàn)象，當(dāng)溫度

2、升高后首先酚醛樹(shù)脂基體發(fā)生熱解反應(yīng)，熱解氣體從材料內(nèi)部引射到邊界層引起熱阻塞效應(yīng)以及表面燒蝕后退現(xiàn)象等，因此有必要對(duì)輕質(zhì)碳酚醛復(fù)合材料酚醛樹(shù)脂基體熱解機(jī)制、燒蝕機(jī)理進(jìn)行研究，進(jìn)而建立材料的熱響應(yīng)分析模型預(yù)報(bào)材料防/隔熱性能，對(duì)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)具有非常重要的作用。
　　首先，對(duì)輕質(zhì)碳/酚醛復(fù)合材料和酚醛樹(shù)脂基體進(jìn)行熱失重實(shí)驗(yàn)，利用峰值分析法對(duì)微分失重曲線(xiàn)進(jìn)行分析獲得了材料的熱解動(dòng)力學(xué)模型。并從質(zhì)量損失機(jī)理和能量損失機(jī)理兩方面對(duì)

3、輕質(zhì)碳/酚醛復(fù)合材料在氣動(dòng)熱環(huán)境下的燒蝕機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　其次，基于輕質(zhì)碳/酚醛復(fù)合材料的燒蝕防隔熱機(jī)理及材料熱解動(dòng)力學(xué)模型，建立宏觀(guān)材料的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程，考慮在熱流載荷作用下材料分解和分解氣體流動(dòng)等化學(xué)物理過(guò)程，建立材料溫度-壓力耦合方程。
　　再次，開(kāi)展了輕質(zhì)碳/酚醛復(fù)合材料的在單側(cè)輻射熱流條件下的燒蝕實(shí)驗(yàn)，將數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)（DIC系統(tǒng)）、熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)和基于氧乙炔焰的輻射熱流實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)相結(jié)合，

4、對(duì)給定熱流條件下試件的位移場(chǎng)分布、距離加熱端不同深度點(diǎn)溫度時(shí)間歷程以及燒蝕率進(jìn)行精確測(cè)量，同時(shí)對(duì)燒蝕前后試件的形貌以及微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　最后，利用COMSOL-Multiphysics多物理場(chǎng)耦合軟件對(duì)輕質(zhì)碳/酚醛復(fù)合材料宏觀(guān)熱-化學(xué)耦合控制方程進(jìn)行有限元模擬分析，得到了輕質(zhì)碳酚醛復(fù)合材料試樣加熱過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布，與實(shí)驗(yàn)值吻合較好；同時(shí)得到材料內(nèi)的熱解程度、氣體壓力場(chǎng)和熱解氣體速度等響應(yīng)。通過(guò)對(duì)輕質(zhì)碳酚醛復(fù)合材料的各