碳基和碳化复合材料烧蚀研究

admin · 发表于 2025-5-21 10:22:54

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雅宝题库解析：
以C/C、C/SiC为代表的非碳化碳基材料和以碳/酚醛为代表的碳化碳基材料（简称为碳基复合材料和碳化复合材料）具有很高的烧蚀热效率、有效烧蚀热以及良好的高温力学性能，是用于火箭发动机、高速飞行器的理想热防护材料。随着技术的不断进步，火箭发动机的性能越来越高，飞行器的速度越来越快，热防护材料工作环境中的温度和压强也越来越高，气体组分越来越复杂。因此研究碳基复合材料和碳化复合材料的烧蚀热响应就显得至关重要。本文以此题目为核心开展了一系列的研究工作，主要包括：1) 对C/C、石墨为代表的碳基复合材料进行烧蚀模拟，针对材料表面热化学动力学模型进行研究，总结了高温气体中主要的氧化性组分，以及这些组分与表面C发生异相化学反应的动力学参数，并建立一维碳基材料烧蚀模型。碳基复合材料具有很好的高温性能，但国内尚缺乏该材料在富氧环境下烧蚀的研究。本文利用该模型针对超燃冲压发动机喷管内的富氧环境，对C/C材料进行了烧蚀计算，并分析了富氧环境对材料烧蚀的影响。2) 研究了富氧环境下C/SiC复合材料的氧化过程和机理，分析了C/SiC材料氧化过程的影响因素。根据材料的氧化机理建立了氧化模型，对表面裂纹处的材料烧蚀进行了恒温条件下的计算，得到了不同温度下材料的质量烧蚀率。计算结果表明，氧气浓度在裂纹中沿深度方向逐渐减小，且温度越高减小的越快；材料的氧化过程在不同的温度下有不同的控制机理。现有的SiC材料的氧化烧蚀研究均为静态环境，本文针对的静态氧化计算的不足，建立了考虑剥蚀条件的动态氧化模型，并对SiC涂层材料和C/C材料进行了对比计算。结果表明，在未考虑剥蚀因素的情况下SiC的烧蚀率远低于C/C材料。对SiC平板材料在SiO2剥蚀和未剥蚀条件下进行计算，结果发现，考虑剥蚀时材料的烧蚀率比不考虑剥蚀的烧蚀率大，且SiC材料与氧化性组分间的化学反应是整个氧化过程的主导因素。3) 研究了碳化复合材料的烧蚀机理，在现有的碳化材料烧蚀热响应模型的基础上增加了热解气体的影响，基于热解面和热解动力学建立了烧蚀热响应模型，并利用多孔介质动力学模型，计算了热解气体在多孔碳化层中的流动。由于热解面模型中存在多条移动边界，现有的模型中均采用差分法或有限体积法对边界进行求解，使求解过程较复杂，因此本文引入了不变嵌入法来求解移动边界。热解面模型计算结果表明，热解气体的压强呈梯度分布，材料的热解热对热解率的影响较大，但对材料的温度场影响很小。热解动力学模型计算结果表明，材料内部的孔隙率和热解率的分布都不均匀，热解动力学参数对材料的热解有影响，热解气体的分子量对材料的温度场影响很小。热防护材料的实际工况为三维环境，一维假设会带来较大的模型误差，因此本文在一维模型基础上，建立了二维轴对称烧蚀热响应模型，并在移动坐标系下对控制方程进行了离散求解，计算时采用FLUENT计算的发动机流场参数。由于现有的碳化材料烧蚀模型中没有考虑热解气体的影响，因此在碳化材料烧蚀计算中耦合计算了一维热解气体流动模型。二维轴对称碳基复合材料的计算结果表明，由于轴向热流的差异较大造成轴向材料烧蚀量也不同。二维轴对称碳化复合材料计算结果表明，沿轴向的烧蚀量存在较大差异，碳化材料的热解过程主要集中在材料表面的附近，材料内部的热解率和孔隙率沿轴向分布也不均匀。

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