低密度碳/酚醛复合材料烧蚀条件下的热-化学耦合分析

摘要

近年来，为了适应飞行器轻量化、低成本的趋势以及对深空探测的需求，航天领域对轻质烧蚀材料提出了迫切需求。PICA（Phenolic Impregnated Carbon Ablator）复合材料作为新一代低密度碳/酚醛材料，其密度是传统碳/酚醛复合材料的1/5左右，并且具有非常优异的防/隔热性能和烧蚀性能，多次被成功应用于大气再入和星际探索飞行器的热防护结构材料。在气动热作用下，PICA复合材料会发生激烈的物理化学反应甚至烧蚀现象，当温度升高后首先酚醛树脂基体发生热解反应，热解气体从材料内部引射到边界层引起热阻塞效应以及表面烧蚀后退现象等，因此有必要对轻质碳酚醛复合材料酚醛树脂基体热解机制、烧蚀机理进行研究，进而建立材料的热响应分析模型预报材料防/隔热性能，对热防护结构的设计与评价具有非常重要的作用。
　　首先，对轻质碳/酚醛复合材料和酚醛树脂基体进行热失重实验，利用峰值分析法对微分失重曲线进行分析获得了材料的热解动力学模型。并从质量损失机理和能量损失机理两方面对轻质碳/酚醛复合材料在气动热环境下的烧蚀机理进行了分析。
　　其次，基于轻质碳/酚醛复合材料的烧蚀防隔热机理及材料热解动力学模型，建立宏观材料的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，考虑在热流载荷作用下材料分解和分解气体流动等化学物理过程，建立材料温度-压力耦合方程。
　　再次，开展了轻质碳/酚醛复合材料的在单侧辐射热流条件下的烧蚀实验，将数字图像相关系统（DIC系统）、热电偶测温系统和基于氧乙炔焰的辐射热流实验模拟系统相结合，对给定热流条件下试件的位移场分布、距离加热端不同深度点温度时间历程以及烧蚀率进行精确测量，同时对烧蚀前后试件的形貌以及微观结构进行了对比分析。
　　最后，利用COMSOL-Multiphysics多物理场耦合软件对轻质碳/酚醛复合材料宏观热-化学耦合控制方程进行有限元模拟分析，得到了轻质碳酚醛复合材料试样加热过程中的温度场分布，与实验值吻合较好；同时得到材料内的热解程度、气体压力场和热解气体速度等响应。通过对轻质碳酚醛复合材料的各吸热机制占总吸热的比重关系进行了分析，进一步为该材料烧蚀性能的评价奠定理论基础。

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目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 低密度碳/酚醛复合材料的热解动力学与烧蚀机理

2.1引言

2.2 热失重及热解动力学分析

2.3 烧蚀机理

2.4本章小结

第3章 低密度碳/酚醛复合材料体积平均化的热-化学耦合模型

3.1引言

3.2 控制微分方程的推导

3.3 边界条件

3.4 本章小结

第4章 低密度碳/酚醛复合材料烧蚀实验及分析

4.1引言

4.2 实验材料及方法介绍

4.3 实验设备与过程

4.4 实验结果与分析

4.5 本章小结

第5章 基于COMSOL的轻质碳/酚醛复合材料热-化学耦合计算

5.1 引言

5.2 低密度碳/酚醛复合材料基本性能参数

5.3多物理场耦合计算模型

5.4 计算结果与讨论

5.5本章总结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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