酚醛浸渍多孔碳纤维复合材料的烧蚀行为模拟研究

摘要

近年来，航空航天的快速发展，对材料的轻质化、耐烧蚀、隔热性能提出了越来越高的要求。酚醛浸渍多孔碳纤维复合材料（PICA）作为一种优秀的防热材料，具有低密度、集防热-承载-耐烧蚀于一体和刚性的特点，是世界各国发展航天事业必选的防热材料之一。酚醛树脂浸渍多孔碳纤维烧蚀复合材料（PICA）在热流等其他外部条件下会发生复杂的化学、热学、物理现象，涉及材料的分解、融化、升华等物理、化学现象。因此，很有必要对该材料的烧蚀机理、涉及的反应进行研究分析，进而建立此材料的有限元模型，分析材料的烧蚀行为，对选取合适的材料、结构的分析具有重要的意义。
　　首先，针对酚醛树脂浸渍多孔碳纤维烧蚀复合材料（PICA）开展氧乙炔烧蚀驻点与剪切烧蚀实验，热流密度分别为2Mw/m2、6Mw/m2，通过实验获得该材料在不同烧蚀条件下的线烧蚀率、质量烧蚀率和不同位置的温度，同时也获得了该材料在烧蚀前后形貌的宏观与微观变化，从而为下一步的模拟分析做铺垫。
　　其次，基于酚醛树脂浸渍多孔碳纤维烧蚀复合材料（PICA）的烧蚀实验，建立与烧蚀实验相同的三维有限元模型，利用有限元软件LMS SAMCEF模拟在此材料在不同热流作用下的烧蚀行为，与实验的结果进行对比、分析，以此验证了模型的准确性和材料参数的合理性，为后续返回舱的二维模拟奠定基础。
　　最后，在实验与模拟的基础之上，利用LMS SAMCEF软件模拟二维结构在热流作用下的化学烧蚀，得到了此材料在热流作用下的温度场、位移场，并对压力、渗透率、比热容和热导率影响PICA的烧蚀行为进行了分析说明。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状和分析

1.3 主要研究内容

第2章 PICA的烧蚀机理及数值模拟的理论基础

2.1 引言

2.2 各分层内的物理化学现象

2.3 数值模拟理论基础

2.4有限元LMS SAMCEF 软件简介

2.5 本章小结

第3章 PICA的氧乙炔烧蚀实验

3.1 引言

3.2 烧蚀实验的设备及方法简介

3.3 PICA的典型烧蚀试验

3.4 PICA烧蚀前后微观组织的演变

3.5本章小结

第4章 PICA的化学烧蚀模拟研究

4.1 引言

4.2 酚醛树脂浸渍多孔碳纤维烧蚀复合材料的数值模拟模型

4.3 PICA的有限元模拟计算结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 二维烧蚀典型算例的模拟研究

5.1 引言

5.2 返回舱的二维有限元模拟模型

5.3 有限元模拟计算结果与讨论

5.4材料性能对烧蚀行为的影响研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢