超高温本体抗氧化碳/碳复合材料研究

通过向碳/碳复合材料基体中掺杂难熔金属化合物,研制出了一类集碳/碳材料优异的高温力学、热物理性能和超高温陶瓷材料非烧蚀性能于一体的超高温本体抗氧化碳/碳复合材料。攻克了难熔金属化合物在复合材料中分布以及组元与碳纤维反应控制关键技术,提高了复合材料的力学性能。静态和动态高频等离子风洞超高温本体抗氧化试验表明,在驻点温度达到2 500℃,600 s烧蚀后烧蚀量仅为碳/碳复合材料的1/5,给出了超高温本体抗氧化碳/碳复合材料氧化烧蚀抑制机理。     

钼酚醛树脂的热性能和烧蚀性能的研究

采用DSC方法研究了新型钼酚醛树脂的固化行为和固化反应动力学,用TG方法研究了固化产物的热降解性能,并进行了钼酚醛复合材料的高温烧蚀试验和高焓条件下的烧蚀试验。结果表明,No.2钼酚醛树脂,当树脂、固化剂配比为100/10时,固化温度最低,固化反应表现活化能最小,产物的热稳定性最佳,成炭率最高。同时表明,钼酚醛复合材料的高温烧蚀性能良好,特别是在高热通量条件下,性能更佳。     

超高温复相陶瓷基复合材料烧蚀行为研究

采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB2-ZrC-SiC和HfB2-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料,复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征,对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高温烧蚀行为.研究结果表明,超高温复相陶瓷基复合材料相比传统的未改性SiC...     

非平衡气动加热条件下的材料热响应差异研究

针对风洞烧蚀试验中碳/碳与超高温陶瓷两种复合材料存在热响应差异的问题,本文从材料壁面催化与非平衡流场气动加热的机理出发,基于两种风洞设备设计了3个烧蚀试验状态,并对可能影响材料热响应的重要因素进行了分析.结果表明:在不同试验设备条件下,碳/碳端头驻点温度差异主要是由试验状态调试偏差和温度测量偏差造成的,而超高温陶瓷端头驻点温度的差异主要是由不同条件气流非平衡度不同、试件表面实际接受的热流不同造成;对碳/碳材料而言,由于其壁面催化特性接近完全催化壁面,在试验设备选择或状态调试时,可以不必考虑流场非平衡度的影响;而对于超高温陶瓷材料,在试验设备的选择上,则需要结合风洞非平衡流场特点,对试验考核的有效性做充分评估.相关结论可为碳/碳、超高温陶瓷复合材料防热性能的考核与评价提供参考与借鉴.     

C/C复合材料耦合性烧蚀过程的数值预测

在研究碳基复合材料的烧蚀机理基础上,利用有限元数值计算方法,对复合材料烧蚀机理中的表面烧蚀、材料分解、温度场、失重进行耦合分析。对C/C复合材料RVE结构进行耦合数值模拟,考察时间对失重率、碳层厚度、温度的影响。结果表明:烧蚀过程的各种因素之间相互的影响较复杂;随着烧蚀时间延长,材料的热分解减弱,热解向内渗透速度减慢;利用数值计算方法可真实反映复合材料烧蚀的特征。     

浆料浸渍法制备C/C-SiC-ZrB2超高温复合材料及其烧蚀性能研究

采用浆料浸渍法引入ZrB₂微粉作为耐超高温相, 以炭纤维为增强体, 以热解炭和SiC为基体, 制备了ZrB₂含量不同的耐超高温C/C-SiC-ZrB₂复合材料; 通过电弧风洞考核材料的抗烧蚀性能, 通过XRD、SEM和EDS分析材料的烧蚀机理。结果表明: 在Ma 6电弧风洞条件下, C/C-SiC-ZrB₂复合材料的抗烧蚀性能优于C/C-SiC, 且随着ZrB₂含量的增加, 抗烧蚀性能随之提高; 在高温阶段形成的ZrO₂-SiO₂玻璃态熔融层起到了抗氧化烧蚀的作用。     

C/C复合材料板烧蚀中热传导的非线性分析

在高压高热流作用下, 高马赫数飞行器防热层常用耐高温的 C/C复合材料出现烧蚀现象。考虑到C/C复合材料的高温导热系数为温度的函数, 基于傅里叶传热定律和高温烧蚀机制, 利用FORTRAN语言编程计算分析了C/C复合材料板烧蚀中热传导特性。结果表明: 较低热流入射时, 物体表面温度变化速率与内部的不同; 随时间的推移, 受热表面的温度趋于一致, 而背面温度相差较大; 物体内部温度分布趋势大体相同。较高热流入射时, 表面出现烧蚀现象, 温度急速升高, 并维持在某一温度值保持动态平衡。      

Fe基高温合金涂层封填C/C-ZrC-SiC复合材料的制备及抗烧蚀机制

为了改善C/C-ZrC-SiC复合材料在高超声速飞行器热防护领域的使用性能,采用低压悬浮浸渗法制备出Fe基高温合金涂层封填C/C-ZrC-SiC复合材料。利用XRD、SEM、EDS等手段研究氧乙炔焰烧蚀前后Fe基高温合金涂层封填C/C-ZrC-SiC复合材料表层微观结构演变规律,阐明了Fe基高温合金涂层对C/C-ZrC-SiC复合材料烧蚀行为的影响。结果表明:C/C-ZrC-SiC复合材料在1 650℃的大气环境下并通过低压悬浮浸渗法浸渗2 h后,其表层形成一层均匀、致密、且结合紧密的Fe基高温合金涂层。在2 500℃下烧蚀180 s后,改性后的C/C-ZrC-SiC复合材料表面出现较小的烧蚀坑,质量烧蚀率相比未表面改性的试样降低了8%,线烧蚀率降低了35%。且表面生成一层均匀致密的Fe₂O₃-ZrO₂复合氧化物保护层,大大降低了表面裂纹、孔洞等缺陷的产生,从而降低了氧的扩散速率及缺陷带来的应力集中。最终Fe基高温合金覆盖层提高了C/C-ZrC-SiC复合材料的高温抗氧化性和抗机械剥蚀性能。      

掺杂改性C/C复合材料研究进展

陶瓷掺杂改性碳/碳(C/C)复合材料在保持C/C复合材料原有优异高温力学性能及尺寸稳定性等特性的前提下,显著提高了C/C复合材料的高温抗氧化、抗烧蚀性能,且其具有可设计性和良好的抗热震性能等优势,是新型高超声速飞行器和新一代高性能发动机热防护部件的理想候选材料。综述了国内外在SiC陶瓷掺杂改性C/C复合材料,ZrC,ZrB2超高温陶瓷掺杂改性C/C复合材料以及TaC,HfC超高温陶瓷掺杂改性C/C复合材料等方面的最新研究进展和应用情况,并分析了陶瓷掺杂改性C/C复合材料目前研究及应用中存在的主要问题和今后潜在的研究发展方向。     

高性能二维碳/碳复合材料的制备与性能

为获得高性能热结构复合材料,以国产T300碳纤维为原料,通过碳布预浸料交替铺层热压及液相浸渍裂解工艺方法制备了一系列二维碳/碳复合材料,并对二维碳/碳复合材料的微观结构特征、力学性能及烧蚀性能进行了测试与分析。研究结果表明:碳布规格及制备工艺对二维碳/碳复合材料力学性能有较大影响,当碳布规格选用八枚缎纹、经过碳化预处理且高温处理温度达到2 300℃时,二维碳/碳复合材料表现出较好的综合性能,拉伸强度和层间剪切强度的最大值分别高达301 MPa和12.4 MPa,达到了国际先进水平;在模拟典型服役环境考核状态下,制备的不同规格二维碳/碳复合材料的烧蚀性能基本相当,均未出现由于层间强度偏低而发生的烧蚀揭层现象,表现出较好的烧蚀均匀性和结构可靠性。      

酚醛改性苯并噁嗪树脂及其复合材料性能

从固化反应动力学、热分解动力学与耐烧蚀性能等方面研究了不同配比酚醛/苯并噁嗪共混树脂,并通过浸渍高硅氧玻璃布制备了相应的树脂复合材料。对其高常温力学、热学与耐烧蚀性能进行了研究。结果表明:共混树脂复合材料常温拉伸强度（214 MPa）、弯曲强度(332 MPa）、压缩强度(217 MPa）与高温层间剪切强度（21.6 MPa）等力学性能均高于酚醛树脂复合材料,热学与烧蚀性能符合耐烧蚀复合材料要求,可以作为一种性能优良的耐烧蚀复合材料。      

高温烧蚀条件下 C/C材料热力耦合场模拟

热防护材料在高温、高焓、高压环境中因物理、化学和力学因素造成质量损失引起材料烧蚀,使其热力学和热物理性质发生不可逆变化, 表现出复杂的非线性特征。通过对碳基复合材料热化学烧蚀机理分析, 由质量守恒、能量守恒及系统化学反应的热化学平衡原理, 建立相应的热化学和热力学烧蚀模型。基于材料线烧蚀引起边界移动建立热传导方程; 对温度场以及热应力场求解时充分考虑材料变物性特征。通过数值模拟表征材料在高温烧蚀条件下的动态热力学行为, 与实验结果吻合较好, 实现了材料在高温、高过载等复杂因素耦合作用下的实时仿真。      

Thermal response of a 4D carbon/carbon composite with volume ablation: a numerical simulation study

As carbon/carbon composites usually work at high temperature environments, material ablation inevitably occurs, which further affects the system stability and safety. In this paper, the thermal response of a thermoprotective four-directional carbon/carbon (4D C/C) composite is studied herein using a numerical model focusing on volume ablation. The model is based on energy- and mass-conservation principles as well as on the thermal decomposition equation of solid materials. The thermophysical properties of the C/C composite during the ablation process are calculated, and the thermal response during ablation, including temperature distribution, density, decomposition rate, char layer thickness, and mass loss, are quantitatively predicted. The present numerical study provides a fundamental understanding of the ablative mechanisms of a 4D C/C composite, serving as a reference and basis for further designs and optimizations of thermoprotective materials.     

Ablation mechanism of polymer layered silicate nanocomposite heat shield

Recent advances in polymer layered silicate nanocomposites especially improve flammability resistance; encourage the examination of this unique class of evolving materials as potential ablatives. Polymer layered silicate nanocomposites show excellent potential as ablative heat shields. Determining the thermal diffusivity together with the mass and energy transfer is an important problem encountered in design of heat shield system which pyrolyses and ablates at high temperature. The aim of this work is to give information on the influence of the experimental conditions to the estimated effective thermal diffusivity of ablative nanocomposite and composite materials. Here, we present the inverse solution to estimate the parameter used to identify the effective thermal diffusivity of resol type phenolic resin-asbestos cloth montmorillonite layered silicate nanocomposite and its composite counterpart. The experimental setup consists of a standard oxyacetylene flame test. The transient temperature measurements, taken from the top surface and through the thickness of the samples, are used in the inverse analysis to estimate the change of the effective thermal diffusivity. The results of this work clarify the mechanism of the ablation and thermal diffusivity of the layered silicate nanocomposite heat shields due to the high temperature degradation in comparison with its composite counterpart.     

碳/酚醛防热复合材料烧蚀行为的数值模拟

碳/酚醛复合材料被广泛地应用于钝头体表面,是飞行器优秀的热防护材料。为了准确地预测其烧蚀性能,本文从复合材料的组成物纤维和基体的角度出发,基于能量、质量守恒和热分解方程,考虑了烧蚀过程中材料热属性的非线性变化和烧蚀面的退缩,分别计算了纤维和基体的烧蚀性能,预测了烧蚀过程中防热复合材料的温度分布、密度变化、质量损失规律及热属性和线烧蚀率等。结果表明：碳/酚醛复合材料的烧蚀是各种因素相互作用、相互影响的高度非线性过程;烧蚀过程中材料结构具有不均匀的温度分布,烧蚀面区域材料密度衰减最大并且材料的质量损失和损失率几乎呈线性增加;纤维和基体的烧蚀行为存在明显差异,分别预测两者的烧蚀性能,可以为热防护材料的设计提供更加准确的参考和依据。     

Degradation behaviour of a composite material for thermal protection systems Part I–Experimental characterization

Thermogravimetric studies and combined thermal analysis techniques have been used to characterize an ablative composite for thermal protection systems. The aim of the work was to utilize these techniques to obtain the main parameters used in the computer simulation of the space re-entry. In particular, a phenomenological model of the degradation kinetics of a silicon-based ablative composite has been developed using thermogravimetric analysis coupled with mass spectroscopic analysis. Simultaneous thermal analysis has also been used to calculate the ablation heat. The results are used as input for a computer model, developed in Part II, to enable calculation of the temperature profiles inside a thermal protection shield during the re-entry into the earth's atmosphere. Such a program can also be used in materials selection. © 1998 Kluwer Academic Publishers     

HfC改性C/C复合材料整体喉衬的烧蚀性能研究

采用热梯度化学气相沉积工艺制备了碳化铪改性和未改性整体炭毡增强的炭/炭(C/C)复合材料整体喉衬, 采用小型固体火箭发动机试车台装置(平均工作压强为7MPa)测定了它们的烧蚀性能. 结合扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)分析, 讨论了碳化铪改性对C/C复合材料整体喉衬烧蚀行为的影响. 结果表明:与未改性的C/C复合材料整体喉衬相比, 碳化铪改性C/C复合材料整体喉衬的烧蚀过程中存在一个线烧蚀率恒定的稳定烧蚀阶段, 且其线烧蚀率减小了34%, 质量烧蚀率减小了13%.     

碳纤维在高温下的结构、性能演变研究

针对碳纤维在碳/碳烧蚀防热复合材料中应用的基础问题,论述了不同碳纤维结构、成分、表面特征,及其力学性能和热物理性能的高温演变规律,揭示了碳纤维灰分含量对碳纤维力学性能和热氧化性能的影响。确定了在碳/碳复合材料复合成型过程中,碳纤维结构受基体碳影响的变化规律和碳纤维表面特征对碳/碳材料宏观力学性能的影响。阐明了碳/碳复合材料中碳纤维的力学性能对纤维发生折断烧蚀的阻碍作用和通过控制碳/碳成型最高温度实现提高性能的途径。     

Microstructural and chemical properties of AlN-Cu nanocomposite powders prepared by planetary ball milling

Microelectronic circuits require contact with a high thermal conductivity, and controlled low coefficients of thermal expansion packaging materials for the high performance and reliability of the semiconductor chips. The present study was carried out to investigate the microstructural and chemical properties of AlN-Cu nanocomposite powders created by planetary ball milling. X-ray diffraction and scanning electron microscopy analysis of the obtained powders were performed. The residual oxygen and carbon in ball milled AlN-Cu powders were analyzed. AlN-Cu composite powders of 15 μm size and copper crystallites of 25 nm were obtained after milling for 8 h. The amount of residual oxygen was considerably reduced after exposure to hydrogen reduction treatment at 600°C for 2 h. More significantly, 97% of the residual carbon was removed regardless of milling time and alloy composition. Furthermore, residual carbon was removed as a gaseous mixture of carbon monoxide and carbon dioxide.     

树脂基材料的高温烧蚀变形

通过对树脂基材料高温热解反应过程中热化学烧蚀机理的分析,利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法研究了材料高温烧蚀相变特性和热变形行为。假设材料体积烧蚀后,热解生成相介质统计均匀分布,考虑了热解反应产生的气孔与固体相介质之间的相互作用,预报了不同树脂基材料热膨胀系数与温度、加温速率之间的变化关系。与实验结果对照,吻合较好。