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1、复合材料学报第18卷第3期8月2001年ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICAVol.18No.3August2001文章编号:1000-3851(2001)03-0076-05C/C复合材料烧蚀性能分析黄海明,杜善义,吴林志,王建新(哈尔滨工业大学复合材料研究所,哈尔滨150001)摘要:阐述了C/C复合材料性能的优越性及烧蚀机理,并建立了剥蚀机理的物理模型;讨论了环境影响和表面粗糙度的生死循环,并且分析了C/C的机械剥蚀和热化学烧蚀,得到了一些启示。这为热防护领域做了些有益的探讨。关键词:C/C复合材料;烧蚀机理;物理模型中图分类号:
2、V435.14文献标识码:AANALYSISOFTHEABLATIONOFC/CCOMPOSITESHUANGHai-ming,DUShan-yi,WULin-zhi,WANGJian-xin(CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:TheadvantageandtheablationmechanismofC/Ccompositesaredemonstrated.Aphys-icalmodelofmechanical-ablati
3、onisestablishedmainlyintermsofboththethermoelasticitymechanicsandfracturemechanics.Then,theinfluenceofenvironmentandtheappearanceanddisappearanceofsurfaceroughnessarediscussed.Themechanicalablationandthermo-chemicalablationofC/Ccom-positesareanalyzed.Allthesemakesomehelpfuldiscuss
4、ionforthermalprotectionmaterials.Keywords:C/Ccomposites;ablationmechanism;physicalmodelC/C复合材料由三种不同组分构成,即树脂碳、1烧蚀机理碳纤维和热解碳。通常超过2200℃的热处理温度C/C复合材料的烧蚀过程与很多因素有关,而时,开始发生三维层平面的排列,这种转化,即石墨且各种因素也并非是孤立的,相互之间存在复杂的化过程,伴随着层间间距的减小,表观微晶尺寸的增影响。烧蚀大体上可分为热化学烧蚀和机械剥蚀两加。石墨化度的高低,表明了碳结构离理想石墨结构部分,前者指碳的表面
5、在高温气流环境下发生的氧的远近程度。在C/C复合材料的制备工艺中,石墨化和升华,后者指气流压力和剪切力作用下因基体化度的高低决定着材料的力学性能和热物理性能,和纤维的密度不同,造成烧蚀差异而引起的颗粒状石墨化度的升高,C/C复合材料的力学性能值降低,剥落或因热应力破坏引起的片状剥落。韧性改善,热物理性能提高;适当地控制石墨化度,(1)碳的热化学烧蚀机理可以对材料性能进行调制,获得能满足不同需求的在较低温度下,碳首先氧化,氧化过程开始是速C/C复合材料。它克服了一般炭-石墨材料强度低的率控制,氧化率由表面反应动力学条件决定。随着温缺点,保持了石墨的耐高温性能
6、,又具有高的比强度升高,氧化急剧增加,氧气供应逐渐不足,以致使度、比刚度和低的烧蚀率,成为一种良好的抗烧蚀材氧气向表面的扩散过程起控制作用。在更高温度下,料和耐高温结构材料。正是由于其高强度、低密度、碳氮反应以及碳升华反应逐渐显著,升华过程也是高温稳定性及良好的抗热振性,使得这种材料被广由速率控制过渡到扩散控制。泛用于固体火箭发动机喷管、喉衬,火箭重返大气层一般情况下,当温度大于1000K时,CO2的浓系统的防护罩以及导弹的端头帽。[1]度很小,碳的氧化生成物几乎全是CO气体,表面收稿日期:2000-09-25;收修改稿日期:2000-11-22基金项目:
7、国防973重大科研资助项目作者介绍:黄海明(1969),男,博士生,主要从事极端环境下复合材料性能模拟等方面的研究。黄海明,等:C/C复合材料烧蚀性能分析·77·氧化反应式型炭,而基体碳也转化为无定型炭,即超过某一温度-O+C(s)→CO(1)的区域为无定型碳区,则呈现各向同性和低强度,如-其中:O为氧分子和氧原子。图2中的阴影所示;剥蚀就是在此区进行,一般是从在速率控制区,氧化质量烧蚀率裂纹或孔隙等处开始,因为那里存在应力集中。由于1-EM-w2C/C复合材料内部有孔隙,并且温度梯度非常大,在-m=kRT0epe(2)MO热应力作用下,易引起应力集中
8、,当耦合的应力超过在扩散控制区,氧化质量烧蚀率其强度时,便从裂纹尖
