超高温抗氧化涂层膜系温度、应力场及烧蚀过程分析

摘要

碳纤维增韧碳化硅(C/SiC)复合材料因自身低密度、高强度、优异的耐蚀性能和较佳的断裂韧性等特性被视为航天热构件的重要候选材料之一，然而飞速发展的固体火箭发动机在提出高性能指标的同时也带来了富氧环境下烧蚀等重要问题。超高温陶瓷(UHTC)涂层作为有效的表面改性手段之一，是能够进一步提高C/SiC复合材料抗烧蚀性能的理想材料。但是，由于影响烧蚀过程的因素众多，超高温抗氧化涂层体系仍缺乏完善的烧蚀数学模型和理论计算方法。因此本工作利用有限元模拟方法和COMSOL Multiphysics软件对超高温抗氧化涂层体系物理场分布及烧蚀过程开展模拟研究，这对涂层选择和体系设计优化有一定的参考价值。 在确定控制方程的基础上通过软件各物理场模块对建立的两种模型进行探讨，结果发现HfO2-ZrC-SiC-C/SiC模型体系相比HfC-SiC-C/SiC体系具有较佳的隔热能力以及较小的应力值分布，XY剪切应力云图发现前者涂层界面破坏倾向小。对HfO2-ZrC-SiC-C/SiC体系深入探究了其内部氧化性组分扩散规律并建立裂纹模型物理场，发现裂纹的出现会略微加速温度传导，也会引起较大的应力集中，超过无裂纹模型最大应力值200MPa，且裂纹会成为氧气扩散通道致使模型底部氧气浓度为无裂纹的6倍。对烧蚀过程的机理进一步分析，采用J积分方法建立相应模型计算了裂纹扩展判据应力强度因子的大小。 基于质量、能量守恒和物性方程建立发动机喷管内燃气湍流模型，应用数值模拟方法计算了喷管基体和各涂层的线烧蚀速率并验证了模型的准确性。通过比较不同种类涂层的抗烧蚀性能及涂层间匹配性建立多元复合涂层体系，分析了体系烧蚀行为及烧蚀机理，对HfO2-ZrC-SiC-C/SiC四元体系在不同温度下的线烧蚀速率进行了计算。得到结果及结论为：最大线烧蚀速率皆处于0.3~1.2μm*s-1之间，体现了Hf系、Zr系涂层优异的抗氧化烧蚀性能。HfO2具有良好的抗烧蚀性能和自身稳定性。相较其他体系，HfO2-ZrC-SiC-C/SiC体系喷管的喉部及扩散段线烧蚀率更低。体系在7MPa下，分别在1700K、2100K、2500K、2900K计算了线烧蚀速率，最大线烧蚀速率区域沿气流方向产生了迁移，各温度梯度线烧蚀速率分别提高了174%、20.22%、18.04%。说明HfO2能够有效的降低喷管收敛段的烧蚀速率且适合作为复合涂层体系最外层封填层。温度升高明显加剧了化学反应烧蚀和机械剥蚀，高温度下机械剥蚀是烧蚀的主要因素。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 超高温材料

1.2.1 C/C复合材料

1.2.2 C/SiC复合材料

1.3 国内外研究现状

1.3.1 超高温抗氧化涂层材料研究

1.3.2 超高温抗氧化涂层材料烧蚀研究

1.4 论文主要内容

第2章 数值计算模型

2.1 数值模型及控制方程

2.1.1 湍流模型

2.1.2 传热方程

2.1.3 质量守恒定律

2.1.4 分压定律

2.1.5 壁面化学反应

2.2 烧蚀机制

2.2.1 化学反应机制

2.2.2 扩散机制

2.2.3 控制机制判别方法

2.2.4 机械剥蚀机制

2.3 COMSOL Multiphysics软件简介

2.4 本章小结

第3章 超高温抗氧化涂层体系物理场计算

3.1 计算模型及工况

3.2 温度场分布

3.3 应力场分布

3.4 浓度场分布

3.5 裂纹对场的影响

3.6 应力强度因子计算

3.7 本章小结

第4章 超高温抗氧化涂层烧蚀结果与分析

4.1 计算模型及工况

4.2 对燃气流气氛的研究

4.2.1 总体气氛混合反应性研究

4.2.2 膜系材料与气氛反应性研究

4.3 计算结果

4.3.1 模型验证

4.3.2 烧蚀计算

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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