防热抗烧蚀实验方法.pdf

化学推进剂与高分子材料 2006 年第4 卷第1 期 ChemicalPropellantsPolymericMaterials 复合材料防热抗烧蚀实验方法的研究 张佳，申生 （1、西安复合材料研究所，陕西西安；2、北京勤合科技有限公司；3、西北工 业大学应用化学系，陕西西安） 摘 要：简述防热抗烧蚀复合材料的应用和烧蚀机理，着重介绍防复合材料抗烧蚀实 验平台的原理和方法，评价了当前常用的模拟烧蚀试验方法，指出了防热抗烧蚀复合材 料的发展方向。 关键词:热防护；抗烧蚀实验；抗烧蚀实验方法；热冲蚀实验台； 中图分类号:737.3 文献标识码:A 文章编号:1672-2191(8006)01-0021-05 复合材料(如C/C复合材料、碳/酚醛复合材料)具有高比强度、高比模量、 耐高温、抗烧蚀、抗冲击等特点，在航天航空领域得到广泛应用，目前正逐步取 代黑色金属、有色金属等传统材料，成为轻质化结构和防热结构的主要材料。航 天飞行器在高温等恶劣环境下，如洲际导弹鼻锥再入大气层时，将经受7 000~8000K 超高温、每平方米几十兆瓦热流密度、100g 过载、粒子云高速侵蚀、 突防中遇到的核辐射和动能拦截等，通过材料自身烧蚀引起质量损失，吸收并带 走大量的热量，阻止外部热量向结构内部传递，从而保护内部结构在一定温度范 围内正常工作。 热障涂层(T h e r m a l B a r r i e r C o a t in g s 简称T B C s ) 是可以为零件提供有效的绝热及抗氧化作用, 从而提高其使用温度,降低冷却要 求的涂层系统 复合材料在不同温度下发生的体积烧蚀，对于碳/酚醛、玻纤/环氧树脂等有机物 复合材料主要是热解反应，而对于C/C 复合材料主要是热氧化反应。尽管C/C 复 合材料在制备过程中经过多次加压浸渍、炭化和石墨化，但基体中仍不可避免地 存在少量未完全炭化的有机物。因而材料的初始成分包括增强纤维(碳纤维、玻 璃纤维等)、基体(树脂碳、沥青碳、化学气相沉积碳等)、孔隙(孔洞和裂纹)及 少量液体(在储运和机械加工过程中因吸湿作用而驻留在孔洞中的水分、油分等. 现代T B C , 它是由0.1 一0.1 5m nt 厚的M C r A IY 层, 0 ·2 5 一0. 3 5m m 厚的由6% 一8 %Y Z O : 稳定的rZ O Z 面层(T oP C oa it n g ) 构 成川。面层低的热传导率可降低基体金属温度1 7 0OC 左右, 并与粘结层(B o 化学推进剂与高分子材料 2006 年第4 卷第1 期 ChemicalPropellantsPolymericMaterials n d l n g C o a t i n g ) 具有良好的应变匹配性, 在高温环境要稳定, 这样 才能在高温条件下正常使用。 二、烧蚀行为模拟与性能测试 由于烧蚀是个复杂过程，采用实验的方法又是很困难的，目前大多采用地面设备来对烧蚀行 为进行模拟，并对烧蚀后的试样进行性能测试，辅以数学方法对材料的烧蚀性能作出评价。 烧蚀行为模拟方法： 该试验方法是用氧- 乙炔焰炬垂直于试样灼烧，直到烧穿试样为止，用平均烧蚀速度(线烧 蚀率)、背面温度及达到一定背面温度所需时间等指标来评价。热震或热冲蚀试验设备是 采用北京勤合科技研制的实验设备可以测定涂层在反复加热-冷却交替作用下材 料或涂层的性能变化来发现问题。过程中随时观察试样表面热震裂纹的萌生、扩 展以及涂层剥落情况。如此反复加 热、冷却，直到涂层从基体上剥离 （一般设 定剥落面积达 20%为失效）为止。通 过比较涂层剥落所经历的热循环次数、循 环时间及试样表面涂层损坏的情况来评 定试样的抗热震性能。 试验过程 试验开始，先点火，使喷射器火焰调整至中性焰形态，并对准试样的 热位置；启动可编程控制器，按设定程序开始加热和计时，同时红外测温系统开 始测 量试样表面温度，温度随时间的变化值和相应的 “时间-温度”加热曲线可 实时显示 在计算机显示屏上，并可通过计算机数据通讯接口存贮到计算机中； 当试样 1 表 面温度达到设定值 （例如 1200℃）时，可编程控制器自动发出指 令，旋转驱动系 统驱动样品转盘