高硅氧酚醛复合材料的烧蚀机理及热-力学性能研究

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1、学校代码:10213密级：公开国内图书分类号：TB12国际图书分类号：621工学博士学位论文高硅氧/酚醛复合材料的烧蚀机理及热-力学性能研究博士研究生：时圣波导师：梁军教授申请学位：工学博士学科：工程力学所在单位：复合材料与结构研究所答辩日期：2013年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB12U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringABLATIONMECHANISMANDTHERMO-MECHANICALBEHAVIOROFSILICA/PHENOLICCOMPOSITESCandi

2、date:Supervisor:ShiShengboProf.LiangJunAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:EngineeringMechanicsAffiliation:CenterforCompositeMaterialsandStructuresDateofDefence:Degree-Conferring-Institution:June,2013HarbinInstituteofTechnology摘要随着长时间飞行器需求的不断增长，对长时间中低热流环境下的热防护材料需求也越来越迫切。作为树脂

3、基防热材料的一种，高硅氧/酚醛复合材料具有较低的密度和热导率、优良的吸热能力、耐烧蚀性能和热稳定性等特点，且成本低廉、工艺周期短、高温性能优异。该类型材料既能适用于长时间飞行、屮等焙值、屮低热流的防热要求，又能耐长时间烧蚀和高气流剪切，且具有较好的隔热性能，因而被广泛应用于长时间飞行器的烧蚀热防护。在高温环境下，高硅氧/酚醛复合材料会发生复杂的物理■化学变化和烧蚀■相变过程，包括酚醛树脂的热解反应、热解气体的扩散流动、孔隙压力、热阻塞效应、热膨胀现象、边界移动等过程。另外，气动加热会使防热材料及其结构产生热变形，且在气动力和气动热载荷作用下防热材料的强度和承载能力也会有明显的衰减。

4、因此，有必要研究高硅氧/酚醛复合材料在长时间中低热流环境下的烧蚀防热机理，预报材料的烧蚀性能及高温热力学性能，对该类型复合材料防热层的结构设计、完整性及可靠性评价有重要的意义。本文系统研究了高硅氧/酚醛复合材料在烧蚀环境下的质量损失机理及吸热机理，基于表面烧蚀理论和气体边界层理论，建立了防热材料的表面烧蚀性能预报方法，根据质量守恒和能量守恒原理，建立了聚合物基复合材料热■力学行为的多场耦合模型，给出了防热材料的高温刚度和强度性能预报方法，并设计相关实验验证了预报模型的正确性。首先对高硅氧/酚醛复合材料进行静态/动态烧蚀实验，通过热失重率和吸放热曲线研究材料在不同温度与加温速率下的热

5、解反应，利用一阶Arrhenius方程，建立了防热材料的热解动力学模型。通过对烧蚀过程中材料表面的烧蚀现象及热暴露后试样切片的微观结构进行观测，揭示了高硅氧/酚醛复合材料在高温环境下的烧蚀/防隔热机理。考虑硅基复合材料烧蚀表面的熔融液态层，预报了给定气动热环境下高硅氧/酚醛复合材料的表而烧蚀后退速率、壁而温度等烧蚀性能，预报结果与氧乙烘焰烧蚀实验结果比较吻合较好。结合表面烧蚀理论和边界层气体动力学关系，推导了材料的热容吸热、树脂热解吸热、表面材料的热辐射、热阻塞效应、熔融SiO?的蒸发吸热对材料总吸热能力的贡献权重，讨论了树脂含量、热传导系数、比热容等对防热材料烧蚀性能的影响。其次

6、考虑热解过程中热解气体聚集和流动造成的孔隙压力变化及材料内部的热■质传递过程，利用有限差分方法建立了高硅氧/酚醛复合材料在单侧辐射热流作用下的一维热响应模型。在模型中充分考虑了热膨胀引起的边界移动和热阻塞效应，预报了防热材料在体积烧蚀过程中的温度分布、孔隙压力分布、组分相体积含量变化、热解反应进行程度和气体质量流率。以外界自然光为光源，设计了太阳光辐射加热实验，测量了单侧热流载荷下高硅氧/酚醛复合材料试样不同厚度位置处的温度变化曲线，实验结果与计算结果吻合较好，验证了热响应模型的正确性。聚合物基复合材料的热化学分解过程是一个热■力■化学多场耦合问题。根据质量守恒和能量守恒原理，充分

7、考虑温度/扩散/变形的耦合作用，建立了多孔弹性体高温环境下热■力学彳亍为的多物理场耦合分析模型。应用Bubnov-Galerkin有限元方法将高硅氧/酚醛复合材料热■力学响应的控制微分方程改写为单元代数方程组。利用高斯消去法求解最终整合的整体代数方程组，预报了材料在热流载荷下的高温变形、热应变和热应力。基于数字图像相关技术，设计了非接触式高温变形测量实验，获得了试样测量表面的全场变形和应变。应变测量结果和计算结果吻合较好，验证了多场耦合分析模型的准确性。最后考虑聚合物