文章编号:1000-3851(2001)03-0076-05收稿日期:2000-09-25;收修改稿日期:2000-11-22基金项目: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。C/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: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-ablationisestablishedmainlyintermsofboththethermoelasticitymechanicsandfracturemechanics.Then,theinfluenceofenvironmentandtheappearanceanddisappearanceofsurfaceroughnessarediscussed.Themechanicalablationandthermo-chemicalablationofC/Ccom-positesareanalyzed.Allthesemakesomehelpfuldiscussionforthermalprotectionmaterials.Keywords:C/Ccomposites;ablationmechanism;physicalmodelC/C复合材料由三种不同组分构成,即树脂碳、碳纤维和热解碳。通常超过2200℃的热处理温度时,开始发生三维层平面的排列,这种转化,即石墨化过程,伴随着层间间距的减小,表观微晶尺寸的增加。石墨化度的高低,表明了碳结构离理想石墨结构的远近程度。在C/C复合材料的制备工艺中,石墨化度的高低决定着材料的力学性能和热物理性能,石墨化度的升高,C/C复合材料的力学性能值降低,韧性改善,热物理性能提高;适当地控制石墨化度,可以对材料性能进行调制,获得能满足不同需求的C/C复合材料。它克服了一般炭-石墨材料强度低的缺点,保持了石墨的耐高温性能,又具有高的比强度、比刚度和低的烧蚀率,成为一种良好的抗烧蚀材料和耐高温结构材料。正是由于其高强度、低密度、高温稳定性及良好的抗热振性,使得这种材料被广泛用于固体火箭发动机喷管、喉衬,火箭重返大气层系统的防护罩以及导弹的端头帽。1烧蚀机理C/C复合材料的烧蚀过程与很多因素有关,而且各种因素也并非是孤立的,相互之间存在复杂的影响。烧蚀大体上可分为热化学烧蚀和机械剥蚀两部分,前者指碳的表面在高温气流环境下发生的氧化和升华,后者指气流压力和剪切力作用下因基体和纤维的密度不同,造成烧蚀差异而引起的颗粒状剥落或因热应力破坏引起的片状剥落。(1)碳的热化学烧蚀机理在较低温度下,碳首先氧化,氧化过程开始是速率控制,氧化率由表面反应动力学条件决定。随着温度升高,氧化急剧增加,氧气供应逐渐不足,以致使氧气向表面的扩散过程起控制作用。在更高温度下,碳氮反应以及碳升华反应逐渐显著,升华过程也是由速率控制过渡到扩散控制。一般情况下,当温度大于1000K时,CO2的浓度很小,碳的氧化生成物几乎全是CO气体[1],表面复合材料学报ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICA第18卷第3期8月2001年Vol.18No.3August2001氧化反应式O-+C(s)→CO(1)其中:O-为氧分子和氧原子。在速率控制区,氧化质量烧蚀率-m�=k0e-ER�TM-wMOpe12(2)在扩散控制区,氧化质量烧蚀率-m�=m�O-(扩散)(3)其中:R�为通用气体常数,M-w为壁面上平均气体分子量,MO为氧的分子量,pe为边界层上的压力,活化能E和k0随材料的不同而变,如热解石墨:k0=21800g/cm2·s·(atm)12,E=42.3kcal/mol。在升华速率控制区,由分子运动理论得碳的最大升华率为-m�E=�E�ME2�R�T�Kpe,E=C1～C5(4)其中:lgKpe=a+bT(K),�E,a,b可由文献[4]提供,ME为分子量。在升华扩散控制区,碳的升华烧蚀率由流场决定[5]。-m�=�c(0)�B(5)其中:B为传质系数,�c(0)为流场影响因子。(2)机械剥蚀机理假如面上的热流分布均匀,由于基体的密度比纤维的密度小,故基体烧蚀得较快。但是,材料处于流场中,露在面外的纤维长度受到剪切力和涡旋分离阻力的制约,在剪...
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