石英酚醛热防护材料热刚度研究

石英酚醛热防护材料热刚度研究

李 宁

（江南机电设计研究所，贵阳 550009）

摘要：气动加热引起的高温会造成石英/酚醛热防护材料刚度性能衰减，并且产生结构热应力，进而引起舵面结构高温刚度、结构模态的变化。本文通过热烧蚀模型和热刚度模型的建立，建立热流环境下温度/扩散/变形耦合问题的多物理场耦合分析模型，提升石英/酚醛防热材料烧蚀的热-力学响应模型的准确性。

关键词： 石英酚醛 热防护 热刚度 变形 材料

1. 研究背景

气动加热引起的高温会造成石英/酚醛热防护材料刚度性能衰减，并且产生结构热应力，进而引起舵面结构高温刚度、结构模态的变化，因此，准确预测石英/酚醛热防护材料的高温刚度、准确求解石英/酚醛热防护材料烧蚀过程中的温度-扩散-变形耦合问题，是解决高速飞行器热刚度的关键。

2. 聚合物基复合材料热烧蚀模型

根据硅基复合材料和热解炭化材料的烧蚀机理，建立包含烧蚀退移层、化学反应边界层、液态层、碳化层、热解层及原始材料层等六层的表面烧蚀模型。可建立液态方程、质量守恒方程和能量守恒方程。

硅基复合材料烧蚀过程中的典型特征是烧蚀表面附有一层熔融液态层，考虑材料表面的化学反应，可以根据高粘度不可压缩液态层的控制方程来推导该类型防热材料烧蚀过程中的质量守恒方程，并作如下假定：(1) 不考虑物理模型中各层物理量的真实变化规律，当作一层处理；(2) 在表面处建立各区域的能量平衡方程；(3) 壁面处发生碳的燃烧反应，且碳在燃烧反应中全部被消耗，除此之外，其它引射气体在边界层内不发生化学反应。

图1烧蚀表面的热烧蚀模型

3. 聚合物基复合材料高温刚度性能预测方法

影响复合材料有效弹性模量的因素主要包括两方面： (1)复合材料中组分相材料的弹性常数；(2)复合材料内部的微观结构特征。考虑这两种影响因素，对高温环境下复合材料的力学行为，Dimitrienko做了大量的研究工作。认为高温效应引起的复合材料基本响应可以分为材料响应(再生气孔的出现、纵向弹性模量和强度的改变等)和结构响应(孔隙压力、层间应力的增加和分层等) ，考虑这些物理-化学过程，建立了高温下复合材料的高温刚度模型和强度模型，该模型通过定义两个衰减函数来表征复合材料的刚度和强度随温度的变化规律。梁军利用 Dimitrienko 的有效性能衰减函数，结合 Mori-Tanaka 方法 Eshelby 等效夹 杂理论等细观力学方法，研究了组分相材料(基体材料和增强体材料)的烧蚀-相变特性和高温力学性能的变化规律。对单侧热流作用下内部有温度梯度的防热材料的弹性模量问题，本文借鉴有限元方法的思想，假定每个有限单元内的温度和应变是均匀的，建立高温刚度性能预测方法计算每个有限单元的弹性模量。然后对加热方向上所有位置处的弹性模量值进行积分，从而可以得到有温度梯度的整体防热复合材料的体平均弹性模量。

4. 聚合物基材料高温热变形测量方法

材料及其结构在不同力学载荷和热载荷下的位移及表面变形测量是研究材料刚度和强度的等力学性能重要环节。材料在热载荷作用下的高温变形测量可分为接触式测量和非接触式测量。接触式高温变形测量方法主要有高温应变片及高温引伸计等，但它们只能测量标距范围内的平均热应变，无法进行材料表面的全场热变形测量。此外，高温应变片和引伸计与被测试样表面直接接触可能对材料性能有强化作用。非接触式全场高温变形测量方法主要有全息干涉法、moire 干涉法、散斑干涉法、网格法和数字图像相关方法等。其中数字图像相关方法可通过比较比较未变形状态(或参考状态)和变形状态下试样表面的数字图像信息，直接获得试样表面的全场位移和应变，具有抗热干扰能力强、响应迅速等特点。由于热环境的复杂性，数字图像相关(digital image correlation ，DIC)方法在高温变形测量中的优势较大。基于二维数字图像相关方法建立非接触式高温热变形测量系统，精确测量石英/酚醛复合材料热流载荷下的高温变形和应变。

5. 烧蚀层-结构耦合传热分析方法

气动加热与烧蚀层表面的温度以及烧蚀产物等有关；防热层表面的烧蚀速度与气动加热及表面温度等有关,防热层背面需要与相接触的结构表面满足热流和温度平衡条件。这些情况使得三维结构耦合烧蚀防热层的耦合计算变得十分复杂。由于其问题的特殊性，即边界随着烧蚀的发生而不断变化且有热解气体流经材料内部，因此目前还没有一种商用软件可以很好的处理这类问题，需要单独编制程序(本文用 Fortran)来实现数值模拟。而工程中普通三维结构瞬态温度场通常采用MSC.Nastran 等通用有限元程序计算，建立起有限元模型后也便于对结构进行热应力和热模态分析等后续计算。因此要实现两者耦合计算需要解决两种计算程序之间的数据交换问题。可通过将自行编制的烧蚀材料温度场计算的专用程序与通用温度场分析程序MSC.Nastran 相结合，以满足烧蚀层与舵面耦合传热分析的需要。

6. 总结

通过上述的热烧蚀模型和热刚度模型的建立，并通过试验验证，可建立热流环境下温度/扩散/变形耦合问题的多物理场耦合分析模型，得到石英/酚醛防热材料烧蚀的热-力学响应模型的准确性。后续可采用试验与理论分析相结合的方法可建立高精度的石英/酚醛防热材料高温刚度模型。

参考文献：

[1]梁军, 易法军. 防热材料高温烧蚀-相变特性的细观研究[J]. 复合材料学报. 2002, 19(2): 108-112.

[2]国义军. 高超声速飞行器烧蚀防热理论与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2019: 100-213.

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