航空航天复合材料 课件 第6章 烧蚀防热复合材料朱和国.pptx

;第6章烧蚀防热复合材料;6.1烧蚀防热复合材料定义与分类;1）升华型:主要靠复合材料高温下升华气化带走大量热量。典型代表如C/C复合材料，升华温度高达3600℃，在升华前还会产生强烈的辐射散热。

2）熔化型:主要利用材料在高温时熔化吸收大量潜热，并进一步利用形成熔融液态层来阻塞热流。如碳纤维/石英玻璃复合材料、石英玻璃/酚醛树脂复合材料等。主要成分石英玻璃SiO2汽化潜热高达12552kJ/mol，在高温下熔融形成高粘度液体吸收大量的热量，同时还能很好地黏结炭化层，使其在高速气流下不易被冲刷掉，起到防热效果。

3）炭化型:炭化型烧蚀防热复合材料主要利用高分子材料树脂在高温下炭化吸热，并进一步利用形成的炭化层辐射散热和阻塞热流。如石英纤维/酚醛树脂复合材料等。;烧蚀防热复合材料依据基体可分为树脂基、碳基和陶瓷基三类;2）碳基

碳基烧蚀防热复合材料属于升华型烧蚀放热复合材料，适用于高焓值、高热流的严峻环境。最典型的为C/C复合材料，用于2000℃度以上的唯一备选材料，可耐受高达10000℃的驻点温度。

3）陶瓷基

陶瓷基烧蚀防热复合材料属于熔化-升华型烧蚀放热复合材料。具有良好的高温力学性能、抗氧化性能、耐磨性和隔热性，工作温度可达1650℃，但脆性大，可靠性不足，一般可采用高强纤维增强方式弥补，并可显著提升其抗热震冲击能力，实现烧蚀-隔热-和结构支撑多功能的材料一体化设计，大幅减轻系统质量，增减运载效率和使用寿命，主要有连续纤维Cf/SiC、SiCf/SiC等。;1）比热容大，以便烧蚀过程中可吸收大量的热量。

2）导热系数小，具有一定的隔热作用，仅使表面产生高温。

3）密度小，密度低质量轻是航天飞行器的根本要求，最大限度地减轻总质量。

4）烧蚀速率低，保证有效防热的前提下尽量减小质量损耗，延长使用寿命。

5）良好的力学性能和热物理性能，保证其在高温气流作用下仍具有良好的力学性能和物理性能，保证能与周边结构体有良好的结合。;6.2烧蚀防热复合材料的烧蚀模型;6.2.2机械剥蚀模型?;6.2.3热化学烧蚀模型?;6.2.4热力学侵蚀模型;发生体积烧蚀后，焦碳的体积为：;Vp=Vps+Vpc?;6.3烧蚀防热复合材料的烧蚀机理;6.4树脂基烧蚀防热复合材料;注意：

1）在烧蚀的开始阶段会有一个短暂的非稳态过程。

2）烧蚀时的热—质交换过程十分复杂，涉及多种物理化学机制。

3）复合材料在不同的温度条件下发生的体积烧蚀，对于炭/酚醛、玻纤/环氧等有机物复合材料主要是热解反应，而对于C/C复合材料主要是热氧化反应。;1）制备

由高硅氧纤维、酚醛纤维和酚醛树脂烧结而成，3种成分的质量分数分别为24%、20.4%和55.6%。;实验后分层示意图（b）实验后散斑面;由图6-10可知，高硅氧/酚醛防热复合材料在发生体积烧蚀的过程中，烧蚀面并不是同步向后退移，在烧蚀面上会出现凹凸不平的烧蚀坑。这是由于高硅氧／酚醛复合材料体积烧蚀过程中，酚醛树脂的烧蚀退移速度远大于高硅氧纤维的烧蚀退移速度。;(a)?位置一???????????????????(b)?位置二

图6-12?试样烧蚀后加热面显微结构图;2.低密度酚醛树脂基防热复合材料;2）组织与性能;图6-18四种复合材料在两种热流密度下的烧蚀性能：（a）线烧蚀率；（b）质量烧蚀率;图6-20?密度为0.5g/cm3?的两种复合材料在1.56MW/m2?的热流密度烧蚀后的微观形貌;图6-21?复合材料经不同热流密度烧蚀前后的XRD衍射图;图6-22?树脂基轻质烧蚀防热材料(HEEET)梯度结构和典型构件?;图6-24神舟飞船及其低密度烧蚀材料;6.5.2表面烧蚀的能量平衡方程;6.5.3表面烧蚀的性能表征;6.5.4表面烧蚀过程;3）影响因素;2）微观结构;图6-28样品Z4截面SEM照片及线扫描能谱分析;3）熔渗机理分析;4）烧蚀性能与烧蚀行为分析;2.C/C-SiC碳基烧蚀防热复合材料;2）相组成和微观结构;3）氧化行为;5）烧蚀机制;反应6-75,2-反应6-73，3-反应6-71，4-反应6-77，5-反应6-74，6-反应6-72，7-反应6-76

图6-41?C和SiC氧化过程中吉布斯自由能的变化;6.6.1陶瓷基烧蚀防热复合材料烧蚀过程;6.6.2常见陶瓷基烧蚀防热复合材料;图6-42?C/SiC复合材料氧乙炔焰烧蚀后的SEM照片及EDS谱：(a)烧蚀中心区，(b)烧蚀过渡区，(c)边缘区，(d)边缘区EDS谱;C/SiC复合材料在高温环境下会发生反应(式6-78~6-85)。

C(s)+H2?O(g)→CO(g)+H2?(g)???????????????????(6-78)

C(s)+OH(g)→CO(g)+12H2?(g)