碳纖維復(fù)合材料燃氣射流熱沖擊研究：沖蝕形貌及熱力分析*

趙昌方， 周志壇， 張克斌， 仲健林， 任 杰， 樂貴高

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，江西 南昌 330063；3. 新加坡國立大學(xué) 工學(xué)院 機械工程系，肯特崗 117575)

0 引言

碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)是一種先進的材料，其具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，被譽為“黑金”.相比于鋼、鋁等傳統(tǒng)金屬材料，CFRP則具有更高的比剛度、比強度、比模量、比吸能、耐腐蝕性、抗電磁屏蔽等優(yōu)勢[1-3].目前，已被廣泛應(yīng)用在武器系統(tǒng)的沖擊防護工程[4-5]、車輛的防撞緩沖裝置[6]、緩沖吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計[7]等領(lǐng)域，同時，CFRP以其質(zhì)量小、力學(xué)性能突出的特點被許多輕量化設(shè)備采用.火箭彈/導(dǎo)彈等武器發(fā)射裝備為了能獲得更高的機動性和攜帶更多的物資，也將目標材料鎖定在CFRP上.安慶升等[8]對CFRP發(fā)射筒進行了設(shè)計，并開展了氣密、水壓、吊裝、運輸和發(fā)射等試驗.發(fā)射試驗指出，在內(nèi)壁涂上耐燒蝕層后，發(fā)射一次僅出現(xiàn)微黃而無燒蝕，不影響第二次發(fā)射，極大程度地提升了發(fā)射效率.然而，CFRP在火箭彈/導(dǎo)彈武器上應(yīng)用時，尤其是發(fā)射單元，會面臨著高溫高壓燃氣射流沖擊和燒蝕問題.發(fā)射管內(nèi)部有耐燒蝕涂層，但外壁及其他部件均沒有.因此，研究CFRP的瞬態(tài)燃氣射流沖擊對火箭彈/導(dǎo)彈等武器的材料創(chuàng)新有著重要意義.

近年來，CFRP的熱沖擊研究主要表現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)高溫環(huán)境下的沖擊，研究其熱相關(guān)本構(gòu)，以及高溫環(huán)境CFRP的熱氧老化對力學(xué)性能的影響[9].陳雯等[10]測試了單向和平紋編織CFRP的燃燒特性，指出CFRP的燃燒由環(huán)氧樹脂主導(dǎo)，碳纖維不燃燒.吳恩啟等[11]對編織的CFRP進行了熱擴散分析，得到了孔隙率對熱擴散系數(shù)的影響規(guī)律.邱雪瓊等[12]通過實驗測試了不同鋪層方式下CFRP層合板的熱導(dǎo)率，這可為CFRP傳熱仿真提供參考.李翰等[13]針對單向鋪層的CFRP進行了高溫熱響應(yīng)研究，獲取了炭化層、熱裂解層隨深度的反應(yīng)率和變化規(guī)律.關(guān)于碳纖維復(fù)合材料的高溫燒蝕，研究更多的是碳/碳復(fù)合材料，這種材料以碳為基體、碳纖維為增強體，從而大幅提高其耐燒蝕性能，被廣泛應(yīng)用于噴管喉部和熱防護結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位[14-15].關(guān)于CFRP燃氣射流熱沖擊的研究較少.一方面是因為早些年CFRP生產(chǎn)技術(shù)落后，導(dǎo)致造價高，在火箭武器系統(tǒng)上的應(yīng)用較少.另一方面是因為近年來冷發(fā)射技術(shù)和隔熱涂層技術(shù)的提升，一些發(fā)射裝置無須考慮燃氣燒蝕問題.然而，在復(fù)雜化多方位的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，任何戰(zhàn)況都有可能出現(xiàn)，CFRP燃氣射流熱沖擊也會有所體現(xiàn).因此，關(guān)于CFRP的燃氣射流沖擊實驗及燒蝕情況分析仍然需要進一步完善和揭示.

為深入了解燃氣射流沖擊裸露的CFRP及沖擊產(chǎn)物的情況，本文開展了燃氣射流沖擊實驗和熱/流/固仿真分析，其中，燃氣射流沖擊模擬火箭彈/導(dǎo)彈發(fā)射瞬間的瞬態(tài)特征，數(shù)值模擬也相應(yīng)地采用瞬態(tài)計算.對沖擊后的CFRP試件，采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行了微觀表征，獲取了沖擊形貌和燃燒產(chǎn)物分布情況.研究結(jié)果可為CFRP在火箭武器系統(tǒng)上的應(yīng)用提供科學(xué)參考，尤其是位于發(fā)射單元附近的CFRP結(jié)構(gòu).

1 實驗部分

1.1 實驗過程

CFRP燃氣射流沖擊實驗場景布置如圖1所示.拉瓦爾噴管(火箭發(fā)動機)被安裝在臥式固定架上，沖擊平面正對著噴管出口，距離500 mm.CFRP試件和環(huán)氧樹脂試件采用耐高溫膠帶粘貼在沖擊平面上.在燃氣流場旁邊設(shè)置一個壓力監(jiān)測器，測流場靜壓.CFRP試件為單層T300/3K平紋編織碳纖維增強E-51環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其樹脂含量較高，厚度約1 mm.火箭發(fā)動機為長尾拉瓦爾噴管，其入口直徑約32 mm、喉部直徑約12 mm、出口直徑約30 mm、長度約110 mm.推進劑采用雙基固體/雙鉛-2推進劑.

1.2 結(jié)果分析

實驗的目的是模擬火箭彈/導(dǎo)彈發(fā)射時燃氣射流對發(fā)射單元的沖擊，作用時間極短，通常為毫秒級.因此，本實驗中拉瓦爾噴管的工作時間約20 ms.火箭發(fā)動機工作后燃氣射流形態(tài)如圖2所示.從圖2(a)攝像機1視圖中可以看出，點火后推進劑的燃燒產(chǎn)物由拉瓦爾噴管噴出，形成燃氣射流核心區(qū)，即圖中帶有火光的紅色區(qū)域.由于點火初期燃燒不充分，射流外圍會出現(xiàn)二次燃燒現(xiàn)象，產(chǎn)生大量黑煙.當燃燒穩(wěn)定后，射流形成穩(wěn)定且清晰的馬赫盤.如圖2(b)攝像機2的視圖所示，燃氣射流在沖擊平面上滯止，CFRP試件上出現(xiàn)明顯的火紅色沖蝕區(qū)域.由于噴管出口壓強大于環(huán)境壓強，因此燃氣噴出噴管后先膨脹，然后再被大氣壓壓縮，依次形成往復(fù)的馬赫波節(jié).然而，由于噴管直徑小，其質(zhì)量流率低，且作用時間短，導(dǎo)致該現(xiàn)象難以觀測.因此，需要開展流體動力學(xué)仿真，以得到更加清晰的流場結(jié)構(gòu).

CFRP受高溫高壓燃氣射流沖擊后脫落，沖擊區(qū)的溫度散去后發(fā)生殘余熱變形.熱變形是材料受熱分布不均導(dǎo)致的結(jié)果.CFRP的殘余熱變形表現(xiàn)為沿對角線的翹曲，如圖3所示.對于沖擊區(qū)域，可大致分為4個圓環(huán)形損傷區(qū)，即，① 高溫燒蝕區(qū)、② 高溫過渡區(qū)、③ 低溫沖蝕區(qū)、④ 低溫沖刷區(qū).高溫燒蝕區(qū)溫度最高，CFRP表面的環(huán)氧樹脂被燒蝕變色，脫落后形成比較均勻的點陣坑.低溫沖蝕區(qū)燒蝕較為輕微，大量的推進劑燃燒產(chǎn)物在這個區(qū)域沖蝕、堆積.高溫過渡區(qū)介于兩者之間，形成明顯的色帶.低溫沖刷區(qū)幾乎不受燃氣影響，但從沖擊區(qū)內(nèi)向外橫向運動的燃燒產(chǎn)物顆粒在此累積，可見黑色的沖刷紋路.為了觀測每個區(qū)域材料的沖擊特征，有必要進行微觀測試與表征.

對CFRP的沖蝕區(qū)域進行了SEM微觀形貌拍攝，4個區(qū)域的表征結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看出，推進劑燃燒產(chǎn)物隨燃氣射流沖擊黏附在CFRP板上，顆粒沖蝕是除燒蝕之外的最大破壞方式.雙鉛-2推進劑的原料包括硝化棉、硝化甘油、二硝基甲苯、2#中定劑、PbO、CaCO3[16]，推測其燃燒產(chǎn)物包括氮化物、碳化物的不穩(wěn)定態(tài)，以及氧化鉛、氧化鈣固體顆粒.因此，未完全燃燒時必然會在大氣中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，出現(xiàn)二次燃燒.另外，其氧化產(chǎn)物顆粒必然會對CFRP板進行沖蝕.殘留在CFRP板上的污染即為這些氧化還原產(chǎn)物，會呈現(xiàn)出不同的微觀形貌.對于核心燒蝕區(qū)①，燃燒產(chǎn)物由于受到更大的沖擊力，殘留的污染少、粒度小，且以顆粒物為主.該區(qū)域燒蝕最為嚴重，部分環(huán)氧樹脂已被沖擊/燒蝕脫落.過渡燒蝕區(qū)②，有少許被還原的燃燒產(chǎn)物，這些燃燒產(chǎn)物得到氧原子，形成特定的針狀形貌.低溫沖蝕區(qū)③和④則累積大量的氧化還原產(chǎn)物顆粒，顆粒表面形成了霜花狀產(chǎn)物.王英紅等[17]指出，表面越粗糙，越容易被燒蝕.因此，被燃氣射流直接沖蝕過的CFRP在下一次沖蝕過程中會受到更大的影響，這是第一個需要考慮的問題.

2 仿真部分

2.1 仿真方法

流體動力學(xué)部分采用有限體積法進行模擬，使用的商業(yè)軟件為Fluent.仿真模型僅取噴管部分和外流場部分，其1/4結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格見圖5(a)，約37.5萬網(wǎng)格.不考慮推進劑的化學(xué)組分和燃燒反應(yīng)， 拉瓦爾噴管入口定義為壓力入口，總溫總壓分別為2 000 K和3 MPa.外流場邊界定義為壓力出口，溫度和壓強與大氣環(huán)境一致，分別為300 K和101 325 Pa.噴管壁面和沖擊平面設(shè)為絕熱粗糙壁面，以模擬CFRP板受沖擊時的橫向流動情況.壁面粗糙度采用標準模型，粗糙度高度設(shè)為10-6m，粗糙度常數(shù)為0.1.仿真采用瞬態(tài)算法，時間步長為1×e-4，采用SIMPLE壓力-速度耦合模型，湍流模型采用剪切修正的k-w標準模型.燃氣射流的三維Navier-Stokes流動控制方程及湍流流動k-w計算方程參考文獻[18-21].

流體部分計算燃氣射流達到?jīng)_擊平面的壓強和溫度，而傳熱則以此為邊界進一步計算CFRP瞬態(tài)傳熱的梯度和熱-力殘余變形.此外，CFRP為平紋織物，其面內(nèi)的兩個方向力學(xué)性能相同，但為了獲取更為準確的傳熱過程和受力變形情況，本文采用基體+纖維的細觀模型進行模擬.傳熱和變形的計算采用有限元法，網(wǎng)格模型如圖5(b)所示，傅里葉傳熱控制方程和有限元瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程參考文獻[22]，熱-力耦合殘余變形本構(gòu)方程參考文獻[23].仿真中的熱-力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 CFRP的熱-力學(xué)參數(shù)Fig.1 Thermal-mechanical parameters of CFRP

2.2 流體部分

流體部分模擬的目的在于探索燃氣流的分布情況，獲取CFRP表面的瞬時溫度和壓強，以進行熱力學(xué)計算.拉瓦爾噴管內(nèi)流場及外流場溫度和壓強云圖如圖6所示，燃氣經(jīng)噴管噴出后開始膨脹，受大氣壓作用，在靠近沖擊壁面處發(fā)生壓縮.燃氣在空氣中傳播時，壓強和溫度快速下降.噴管出口的總壓測試結(jié)果約為0.3 MPa，與模擬結(jié)果接近.如圖7(a)所示，壓強峰值為0.211 MPa，位于沖擊中心.如圖7(b)和(e)所示，沖擊至平面上的燃氣最高溫度為791 K，位于沖擊板正中心，這與實驗中CFRP板中心燒蝕最嚴重相吻合.圖7(c)所示的剪切應(yīng)力是設(shè)置粗糙壁面得到的結(jié)果，其最大值呈一個圓環(huán)，并沒有落在沖擊中心.沖擊中心有射流的反濺，這是造成該現(xiàn)象的原因.粗糙度增大會導(dǎo)致壁面剪切應(yīng)力增大，從而致使材料發(fā)生失效，例如樹脂和纖維的斷裂.此外，高溫燃氣沖擊是一個熱-力耦合過程，溫度升高會對材料的模量、強度、韌性等產(chǎn)生影響，是熱沖擊另一個維度的影響.圖7(d)顯示了燃氣沖擊時湍流的分布情況，湍流強度從沖擊中心向外逐漸降低.湍流是自由射流受到干擾后的表現(xiàn)，湍流強度高證明射流受干擾強烈，這恰好證明了沖擊中心射流的反濺.

2.3 傳熱部分

提取上述獲得的壓強和溫度分布情況，加載到CFRP板上，進行熱-力計算.平紋CFRP瞬態(tài)傳熱結(jié)果如圖8所示.沖擊面上最高溫度為791 K，根據(jù)流體分析結(jié)果，采用區(qū)域溫度加載.在0.3 s內(nèi)，溫度基本上完全傳遞到了CFRP板背面，且分布情況與面板相似，如圖8(a)所示.但由于碳纖維束是編織方式，纖維橫向和縱向的熱傳導(dǎo)系數(shù)不同，其交叉處會對溫度傳遞造成影響，如圖8(b)所示.燃氣射流打到CFRP板上，立即發(fā)生熱傳導(dǎo)，溫度從CFRP表面的環(huán)氧樹脂開始傳遞，經(jīng)過第一層碳纖維束傳遞到環(huán)氧樹脂，繼而傳遞到第二層碳纖維束.兩層碳纖維束互相垂直.纖維方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)大于纖維法向，因此第一層傳遞到第二層時形成一個橢圓分布.同理，第二層的溫度傳遞到背面也會形成一個橢圓.兩個橢圓相互垂直，從而出現(xiàn)圖8(a)的分布現(xiàn)象.環(huán)氧樹脂的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度在500 K左右.因此，沖擊中心的環(huán)氧樹脂會發(fā)生軟化并被燃氣流剝落，從而出現(xiàn)凹坑，導(dǎo)致表面粗糙度增大，則橫向的剪切應(yīng)力也會隨之增大.

然而，燃氣射流實際的作用時間非常短，且溫度和壓強是瞬變的，故此處將熱力作用時間設(shè)為0.2 s.仿真中約束條件為，背面完全固定約束.施加穩(wěn)定的壓強和溫度后，CFRP的熱力分析結(jié)果如圖9所示.從圖9(a)所示可知，0.2 s熱傳導(dǎo)結(jié)果與0.3 s相似，但范圍較小.同樣，在區(qū)域分布的壓強和溫度作用下，CFRP前面的等效彈性應(yīng)變分布也呈環(huán)狀，但背面的分布不明顯，參見圖9(b)和(c).相鄰纖維束之間的縫隙會造成大的變形，形成十字架分布的情況，參見圖9(d).從側(cè)面看，由于環(huán)氧樹脂的模量較低，變形主要由它貢獻，從而形成波浪分布特征，參見圖9(e).然而，在實際情況中，很少出現(xiàn)CFRP板背部全約束的工況，大多是薄壁管/筒.因此，勢必會造成更大的變形，甚至有可能發(fā)生破壞.

3 結(jié)論

隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的變化，武器與軍事工業(yè)的發(fā)展也加快了步伐，輕量化裝備的需求日益凸顯.碳纖維復(fù)合材料(CFRP)以其優(yōu)異的熱力學(xué)性能被考慮采用.對于火箭武器，其噴管噴出的燃氣流是發(fā)射裝備最直接的威脅.為探究CFRP在燃氣射流沖擊下的熱力學(xué)行為，本文通過沖擊實驗和數(shù)值模擬開展了相關(guān)研究，結(jié)論如下：

(1)燃氣射流沖擊是一個瞬態(tài)過程，沖擊過程中CFRP平面有可見的火紅色沖蝕區(qū).沖擊區(qū)域由三個圓環(huán)分開，形成高溫燒蝕區(qū)、高溫過渡區(qū)、低溫沖蝕區(qū)、低溫沖刷區(qū).由于沖蝕產(chǎn)物不同.高溫燒蝕區(qū)環(huán)氧樹脂發(fā)生軟化，脫落成坑.其他區(qū)域殘留大量的推進劑污染，并在后期發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成霜花狀產(chǎn)物.CFRP板的殘余熱變形為沿對角線的翹曲.

(2)流場數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有一致性.沖擊面上的溫度分布與實驗的分區(qū)相同.CFRP細觀傳熱分析顯示，由于纖維三個方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)不同，傳熱分布經(jīng)過纖維時會形成橢圓特征.熱力分析結(jié)果表明，碳纖維承受主要的載荷，變形由環(huán)氧樹脂產(chǎn)生，且在相鄰纖維間的縫隙處變形最大，這與微觀形貌得到的樹脂剝落成坑現(xiàn)象相吻合.

燃氣射流沖蝕后，CFRP會發(fā)生殘余熱變形，也會存在殘余熱應(yīng)力，且壁面的粗糙度會大幅增加.這對二次發(fā)射是非常不利的，因為表面粗糙度會增大橫向剪切力，從而破壞CFRP結(jié)構(gòu).或許采用隔熱涂料或其他熱防護層能有效地解決熱燒蝕問題，但沖擊力的影響仍然需要考慮.