粒子侵蝕對(duì)碳/碳-碳化硅復(fù)合材料燒蝕性能的影響

王德文，洪 興，陳 昊

(西京學(xué)院，西安 710123)

0 引言

高速飛行器在大氣層內(nèi)飛行時(shí)，由于飛行速度高，大氣中的塵埃、冰晶和雪花粒子等將不斷對(duì)飛行器的頭部產(chǎn)生機(jī)械撞擊，造成機(jī)械侵蝕，嚴(yán)重的侵蝕破壞曾造成了“哥倫比亞號(hào)”空難事件。為保護(hù)飛行器頭部?jī)?nèi)的元器件的安全，在飛行器頭部的表面制備一層防護(hù)層，通過(guò)防護(hù)層來(lái)抵御大氣粒子對(duì)飛行器的機(jī)械損傷，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)飛行器內(nèi)部的目的[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)展了相關(guān)的研究，如Ogi等研究了不同撞擊速度對(duì)2D及3D編織的CMC平板的表面和內(nèi)部損傷情況[2]；Presby等采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析的方法對(duì)鋼球沖擊C/SiC復(fù)合材料平板的損傷情況進(jìn)行了研究[3]。 C/C-SiC復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、優(yōu)良的高溫力學(xué)性能和極好的尺寸穩(wěn)定性等一系列突出的特性，己成功應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域[4-5]。

文中以飛行器的飛行速度馬赫數(shù)為6，飛行高度約為10 km，天氣嚴(yán)重指數(shù)為8的飛行軌道為試驗(yàn)基本條件，基于動(dòng)量平衡原理，采用地面模擬試驗(yàn)臺(tái)發(fā)射含粒子射流模擬高空粒子侵蝕環(huán)境，將試件置于含粒子的射流中進(jìn)行機(jī)械侵蝕試驗(yàn)，研究試件的抗粒子侵蝕性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試樣

試驗(yàn)材料為正交編制，化學(xué)氣相滲透法制備的C/C-SiC復(fù)合材料[6-7]。復(fù)合材料的預(yù)制體在編織前將碳纖維分別在縱向和橫向上分層平鋪，在垂直于平鋪面的軸向上垂直編織碳纖維，織成三維正交預(yù)制體。以氬氣為載氣，氫氣為稀釋氣體，甲基三氯硅烷(MTS) 為反應(yīng)氣體，對(duì)預(yù)制體進(jìn)行化學(xué)氣相滲透沉積，制成密度約為2.16 g/cm3的C/C-SiC復(fù)合材料。制成的復(fù)合材料的圖片如圖1所示。制成的試樣長(zhǎng)×寬×厚分別為100 mm×100 mm×10 mm。

圖1 制成的復(fù)合材料圖片

1.2 試驗(yàn)方法

地面試驗(yàn)臺(tái)將氣氧和航空煤油混合、點(diǎn)燃并加速成超聲速的射流，在射流中注入氧化鋁粒子，模擬大氣中粒子侵蝕狀態(tài)[8]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)中選擇氧氣的流量標(biāo)況下為47 L/min，航空煤油流量為27 L/h，射流的出口速度約為2 150 m/s，溫度約為2 800 K，采用粒子測(cè)溫測(cè)速儀測(cè)量和仿真計(jì)算獲得粒子的速度曲線，將試件置于距出口80 mm處進(jìn)行機(jī)械侵蝕試驗(yàn)。試件試驗(yàn)前的基本參數(shù)如表1所示。

表1 試件基本參數(shù)

2 試驗(yàn)參數(shù)分析

2.1 試驗(yàn)參數(shù)選擇

根據(jù)Rankine-Hugoniot關(guān)系式，當(dāng)飛行器以馬赫數(shù)為6的速度在大氣中飛行時(shí)，在飛行器頭部區(qū)域產(chǎn)生的正激波前后氣流的馬赫數(shù)、壓強(qiáng)和密度及溫度的值計(jì)算關(guān)系式為[9]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：下標(biāo)1和2分別代表激波前和激波后；μ為以馬赫數(shù)表示的速度；γ為比熱比，這里取值為1.40；p為壓力；ρ為密度；T為溫度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，當(dāng)飛行高度為10 km，馬赫數(shù)為6的飛行器激波前后氣流場(chǎng)的狀態(tài)參數(shù)如表2所示。

表2 飛行高度為10 km，馬赫數(shù)為6的流場(chǎng)參數(shù)

當(dāng)粒子在大氣中飛行穿越激波層的時(shí)候，粒子在激波層內(nèi)的速度衰減規(guī)律為：

(5)

式中：v1為粒子激波前的速度；v2為激波后的速度；ρ1為激波前氣體密度；ρ2為激波后氣體密度；x為粒子與駐點(diǎn)的距離；D為粒子的直徑；CD為粒子阻力系數(shù),這里取3.5[10]。根據(jù)計(jì)算可以獲得粒子在激波后的速度曲線，為試驗(yàn)中選取粒子速度的依據(jù)。

2.2 燒蝕/侵蝕率

材料的線侵蝕率可用式(6)算出[11-12]：

(6)

式中：Rd為材料的線侵蝕率；d1為試件試驗(yàn)前的厚度；d2為試件侵蝕試驗(yàn)后剩余的厚度；t為侵蝕試驗(yàn)的時(shí)間。

材料的質(zhì)量侵蝕率由式(7)算出：

(7)

式中：Rm為材料的質(zhì)量侵蝕率；m1為試件試驗(yàn)前的質(zhì)量；m2為侵蝕試驗(yàn)后剩余的質(zhì)量。

由試驗(yàn)測(cè)定試件在不含粒子射流中的燒蝕率和在含粒子射流中的侵蝕率如表3所示。

表3 不含粒子的燒蝕率/含粒子的侵蝕率

3 分析與討論

在粒子侵蝕的試驗(yàn)條件下，復(fù)合材料要承受高溫氣流的燒蝕和粒子流侵蝕的雙重耦合作用，所以復(fù)合材料的消耗將以熱化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械剝蝕為主[13-16]。采用掃描電鏡對(duì)試樣侵蝕后的微觀形貌觀察，如圖2所示。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，在駐點(diǎn)侵蝕的中心區(qū)，試件表面可以看見(jiàn)多個(gè)凹坑，這些凹坑可能是由于粒子的機(jī)械沖擊形成的機(jī)械損傷，也可能是試件在制造過(guò)程中殘存的孔隙在熱化學(xué)反應(yīng)的作用下擴(kuò)大(如圖2(a)所示)，對(duì)駐點(diǎn)區(qū)放大1.0×104倍觀察，可以發(fā)現(xiàn)碳纖維的斷面比較尖銳，表明纖維在粒子的機(jī)械侵蝕的作用下呈脆性斷裂。結(jié)合微CT的照片并比較兩種狀態(tài)下的燒蝕率，可以知道這些凹坑主要是由粒子的機(jī)械沖擊造成的損傷(如圖2(b)所示)。

圖2 帶粒子垂直侵蝕形貌

采用掃描電鏡觀察試件侵蝕后斷面的形貌，如圖3所示。從圖3(a)可以看見(jiàn)在斷面有一些白色點(diǎn)狀物質(zhì)沉積，通過(guò)掃描電鏡分析其成份為Al2O3粒子粉末。另外還可以觀察到試件的斷面不齊整，有許多不規(guī)則的凹坑。將斷面凹坑處放大2 000倍觀察，可以發(fā)現(xiàn)凹坑是由碳纖維在粒子的侵蝕作用下發(fā)生了脆性斷裂所形成,如圖3(b)所示。

圖3 試樣燒蝕斷面比較

采用微CT對(duì)試件的內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行掃描觀察，如圖4所示。圖中左邊標(biāo)注a部分為試件在不含粒子的射流中燒蝕后的內(nèi)部形貌，右邊標(biāo)注b部分為試件在含有粒子的射流中侵蝕后的形貌。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，試件在不含有粒子的射流中燒蝕后的內(nèi)部區(qū)域結(jié)構(gòu)完整，基本上見(jiàn)不到裂紋，而在含有粒子的射流中侵蝕后，由于粒子的機(jī)械侵蝕作用，在試件的內(nèi)部產(chǎn)生了裂紋，這些裂紋在射流的作用下，將增加試件的熱化學(xué)反應(yīng)面積，因而增加了試件的消耗率。

圖4 微CT掃描試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

1)采用不含粒子的射流和含粒子的射流分別對(duì)正交編制化學(xué)氣相沉積的方法制成的C/C-SiC復(fù)合材料試件進(jìn)行燒蝕/侵蝕試驗(yàn)，獲得線燒蝕率約為0.021 mm/s，質(zhì)量燒蝕率約為0.019 5 g/s，線侵蝕率為0.047 mm/s，質(zhì)量侵蝕率約為0.035 1 g/s。線侵蝕率是燒蝕率的2.24倍，質(zhì)量侵蝕率是燒蝕率的1.8倍。

2)復(fù)合材料在粒子侵蝕的作用下，界面發(fā)生脆性斷裂，內(nèi)部產(chǎn)生了裂紋，增加了試件的燒蝕率，粒子侵蝕對(duì)試件的消耗起到了決定性的作用。