炭－炭復(fù)合材料耐高溫和高速粒子燒蝕/侵蝕研究*

王德文，楊月誠(chéng)，査柏林，何小鵬

(第二炮兵工程大學(xué)，西安 710025)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱材料的工作環(huán)境十分惡劣，要經(jīng)受高溫高壓燃?xì)獾臒g和凝相顆粒的沖刷，因此防熱抗燒蝕材料的燒蝕性能研究一直都是倍受關(guān)注的問題。C/C復(fù)合材料克服了一般炭－石墨材料強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，既保持了石墨的耐高溫性能，又具有高比強(qiáng)度和低燒蝕率，成為一種良好的抗燒蝕材料和耐高溫結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SRM)噴管、火箭重返大氣層系統(tǒng)的防護(hù)罩以及導(dǎo)彈的端頭帽等，分析C/C復(fù)合材料的燒蝕特性是亟待解決的熱點(diǎn)問題。

碳－碳復(fù)合材料是用碳(石墨)纖維或織物為增強(qiáng)材料，用沉積碳或浸漬碳為基體制成的復(fù)合材料。碳在高溫下升華，吸收熱量。而且碳還是一種發(fā)射率較高的材料，它能以表面熱輻射的形式耗散掉大量的氣動(dòng)熱，因而具有很好的抗燒蝕性能。它不但能在本身的高溫蒸發(fā)中吸收熱量，而且還能在由于高速熱氣流沖刷而流失的過程中帶走大量的熱量。本工作利用液氧煤油的混合燃?xì)鉃楣ぷ鳉怏w，對(duì)C/C復(fù)合材料進(jìn)行耐燒蝕實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了初步的討論。

1 模擬燒蝕實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

將作為燃料的煤油和作為助燃劑的氧氣混合燃燒，形成高壓燃?xì)狻Ｔ谌細(xì)庵屑尤階l2O3顆粒來(lái)模擬固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)排氣環(huán)境(SSRM)。通過噴管將燃?xì)饧铀僦脸羲伲a(chǎn)生帶粒子的高溫高壓工作燃?xì)?。其中氧氣流量?5m3/h，壓力為1.2 MPa，航空煤油流量為 27L/h，壓力為 1.5MPa。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)所采用的試件為3D炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)的化學(xué)氣相沉積制備的C/C復(fù)合材料，密度為1.75g/cm3。Al2O3粉末的粒徑取 200～400目，即 37.5～75μm。其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 燒蝕實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 燃流溫度與速度分布

在本實(shí)驗(yàn)條件下，超音速火焰出口處射流平均溫度可達(dá)2800K，氣流速度約2150m/s，粒子速度約為600m/s，焰流高速流出噴槍后，進(jìn)入大氣，形成湍流焰流。焰流的各氣動(dòng)參量，在其橫截面分布并不是均勻的，焰流中心和焰流邊緣之間差別較大，從焰流中心至邊緣，各氣動(dòng)參量呈拋物線分布，并且具有相似性。為了研究的方便，通常以軸心線處的氣動(dòng)參量來(lái)表征焰流的特征，焰流軸心線處的速度可用式(1)表達(dá)[1]。

式中:Vg為焰流的速度;Ve為噴管出口處焰流的速度;re為噴管出口半徑;x為離噴管出口的軸向距離;α為焰流擴(kuò)展角，焰流外邊界夾角稱焰流擴(kuò)展角;θ為無(wú)因次溫度，為噴管出口焰流溫度與大氣溫度之比。

式中:Te為噴管出口焰流溫度;Ta為大氣溫度。

焰流軸心線處的溫度可表示為:

式中:ΔTg=Tg－ Ta;ΔTe=Te－ Ta;Tg為焰流溫度。

超音速火焰焰流出口速度和溫度為2150m/s和2800K，焰流擴(kuò)展角為6°。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為假定恒溫303K(30℃)，計(jì)算的焰流軸心處的速度和溫度如圖1所示。

圖1 理想狀態(tài)下焰流軸心線速度和溫度

3 燒蝕分析與討論

炭/炭復(fù)合材料的主要組分為碳，碳的化學(xué)潛熱為59450kJ/kg。碳的汽化溫度很高，大約為3300K。在本實(shí)驗(yàn)條件下，燒蝕距離為10mm，燒蝕火焰中心溫度在2500K左右，氣流速度約2000m/s，粒子速度約為800m/s，故試件主要受熱化學(xué)燒蝕(氧化)和機(jī)械剝蝕兩部分的影響，在氧煤油燃燒后的高溫高速射流中，C/C復(fù)合材料表面的熱化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，在不同的燒蝕區(qū)具有不同的燒蝕機(jī)理:

1)在火焰燃流邊緣，當(dāng)溫度達(dá)400℃后，碳與材料表面孔隙中的氧開始發(fā)生氧化反應(yīng)，此時(shí)在燒蝕邊緣由于空氣中富含氧氣，燒蝕過程中為富氧反應(yīng)。采用法國(guó)JY公司生產(chǎn)的TRIAX550光譜儀對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行驗(yàn)證，此時(shí)產(chǎn)物主要是二氧化碳和一氧化碳，故化學(xué)方程式為:2C+O2→2CO，2CO+O2→2CO2。

2)在火焰中心處，由于燃流溫度達(dá)到2500K左右，在此高溫環(huán)境下，燒蝕中心處除了氧化反應(yīng)外，還存在碳和二氧化碳間的反應(yīng)，生成一氧化碳?xì)怏w，消耗部分碳。即CO2+C→2CO加速了碳材料的消耗，從而在燒蝕中心處，燒蝕率顯著增大，產(chǎn)物主要是一氧化碳。

3)在燒蝕邊緣和燒蝕中心的過渡區(qū)，隨著溫度的不斷升高，反應(yīng)由開始的以氧化反應(yīng)為主向由碳和二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳的反應(yīng)過渡。

4)在加粒子的射流沖蝕下，經(jīng)光譜儀驗(yàn)證，燃燒產(chǎn)物主要是一氧化碳。由于Al2O3粒子溫度高，速度大，C/C復(fù)合材料的消耗主要是機(jī)械剝蝕為主。

C/C復(fù)合材料燒蝕實(shí)驗(yàn)的SEM形貌如圖2～圖3所示。實(shí)驗(yàn)一在燃?xì)庵形醇恿Ｗ?，焰流與試件法線平行的燒蝕條件下，由于基體的密度小于纖維的密度，基體的后退率大于纖維的后退率，隨著熱化學(xué)燒蝕的進(jìn)行，復(fù)合材料的基體相對(duì)快速消耗，結(jié)構(gòu)表面的纖維突起將越來(lái)越明顯，而使得纖維幾乎完全裸露，在燒蝕中心區(qū)，預(yù)制體結(jié)構(gòu)成網(wǎng)狀裸露出來(lái)(如圖2(a)所示);在燒蝕界面處，由于燃流橫截面溫度和速度梯度大，化學(xué)反應(yīng)速率由燃流中心向外逐漸降低，纖維斷面呈錐形(如圖2(b)所示)。

圖2 實(shí)驗(yàn)一無(wú)粒子垂直燒蝕形貌

實(shí)驗(yàn)二在加粒子的燒蝕/侵蝕條件下，由于氣流和粒子流耦合作用，纖維和基體承受熱應(yīng)力和粒子侵蝕雙重作用。由于粒子的機(jī)械剝蝕作用，試件成片狀剝落，燒蝕速率成倍增加。在燒蝕中心區(qū)試件表面較平滑(如圖3(a)所示)，燒蝕邊界區(qū)，斷面相對(duì)齊整，此時(shí)復(fù)合材料成片狀碎裂(如圖3(b)所示)。線燒蝕率為0.565mm/s，質(zhì)量燒蝕率為0.832g/s(如表2 所示)，加粒子的線燒蝕率為不加粒子的線燒蝕率的2.81倍，質(zhì)量燒蝕率的3.3倍。即在加粒子的燒蝕條件下，復(fù)合材料的氧化消耗相對(duì)較少，主要以機(jī)械剝蝕為主，產(chǎn)物主要為一氧化碳。

圖3 實(shí)驗(yàn)二帶粒子垂直侵蝕形貌

在實(shí)驗(yàn)三中燃?xì)馕醇恿Ｗ?，焰流與試件法線成60°角度的燒蝕條件下，線燒蝕率為0.185mm/s，質(zhì)量燒蝕率為0.278g/s。即成60°角侵蝕的線燒蝕率為垂直燒蝕的0.92倍，質(zhì)量燒蝕率的1.1倍。在實(shí)驗(yàn)四中燃?xì)饧尤肓Ｗ?，焰流與試件法線成60°角的燒蝕條件下，線燒蝕率為0.489mm/s，質(zhì)量燒蝕率為1.154g/s。即成60°度的線燒蝕率是垂直燒蝕的0.865倍，質(zhì)量燒蝕率的1.387倍。此時(shí)由于試件表面與射流成銳角，使得燃流在試件法線方向上的溫度和速度分量比垂直燒蝕時(shí)小，熱應(yīng)力和機(jī)械剝蝕力也降低，因而在法線方向上的線燒蝕率降低。同時(shí)，由于射流和試件的接觸面變大，故質(zhì)量燒蝕率增大。

表2 試件燒蝕率

4 結(jié)論

1)C/C復(fù)合材料由于晶體結(jié)構(gòu)不完整導(dǎo)致纖維和基體抗氧化能力有較大差異。在不加粒子的超音速火焰中以氧化反應(yīng)為主，纖維裸露，斷面呈錐狀，燒蝕區(qū)中心部位纖維成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物為一氧化碳和二氧化碳;在加粒子侵蝕下，燒蝕以機(jī)械剝蝕為主，斷面齊整，燒蝕中心區(qū)較光滑，產(chǎn)物為一氧化碳。

2)C/C復(fù)合材料中炭纖維排列取向與火焰的燒蝕角度對(duì)材料的抗燒蝕性能有很大的影響?；鹧娲怪庇诶w維的燒蝕/侵蝕時(shí)消耗最大。

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