碳/碳-碳化硅复合材料在高超音速射流中性能研究

王德文,沈昊东,王 丽,许贵强,胡 兵,靳春红

(1.西京学院, 西安 710123; 2.中国兵器工业试验测试研究院,陕西 华阴 714200)

0 引言

随着美国高超音速武器——滑行车的试验成功,以及全球快速打击概念的提出,世界各军事大国均把发展高超音速飞行器作为未来主要的研究领域。为了提高再入弹头的突防性能,弹头的再入角都比较大。因此,弹头在高超音速再入飞行时,周围的大气会对飞行器的表面产生剧烈的气动加热和烧蚀作用,周围环境的压力可达10 MPa、热流密度可达420 000 kW/m2左右[1]。高压高焓的再入环境对弹头内部元器件的寿命提出了严酷的考验。为了保护弹头内部元器件的性能,通常在弹头的表面制备了一层热防护材料,通过热防护材料的不断消耗而带走大量的热量,以达到保护内部元器件的目的。碳/碳-碳化硅复合材料(C/C-SiC)是以碳纤维为预制体、以碳化硅陶瓷基为基体的复合材料。该复合材料具有优良的可设计性和耐烧蚀性,特别是在空气中使用时,其表面的温度高达1 500 ℃时仍具有良好的力学性能,因而特别适合在高温或超高温,且要求力学性能稳定的环境中应用[2-4]。

本研究中采用高超音速射流对C/C-SiC复合材料试件进行烧蚀试验,测量该复合材料的力学性能、抗热震性能和烧蚀性能,并分析烧蚀机理,为高超音速飞行器设计提供实验依据。

1 实验

1.1 实验材料

以细碳纤维棒为轴向、以碳纤维束交叉编制成三维四向预制体[5],预制体的结构如图1(a)所示。采用Bernex CVI 800型化学气相渗透设备对预制体高温处理后,以氩气为载气、氢气为稀释气体、甲基三氯硅烷(MTS) 为反应物对预制体进行化学气相渗透,制成密度约为2.26 g/cm3,底圆直径为53.6 mm,高为100 mm,顶角约为30°的圆锥形C/C-SiC复合材料试件,试件如图1(b)所示。

图1 C/C-SiC复合材料试件Fig.1 C/C-SiC composite specimen

1.2 试验系统

当飞行器以高超音速姿态飞行时,根据朗金—雨贡纽(Rankine-Hugoniot)关系式可以获得飞行器表面激波前后温度和马赫数的值[6]:

(1)

(2)

其中,Ma为马赫数;下标1和2代表激波前后;γ为比热比;T为温度。

取马赫数为6,飞行高度为10 km的飞行环境为例,可以获得激波前后的状态参数如表1所示。

表1 赫数为6高度为10 km的流场参数Table 1 Air fluid parameters with Mach 6 and height 10 km

由表1可以看出,当流过试件表面气流的速度为0.4马赫,温度为1 773.6 K时,就可以模拟马赫数为6,飞行高度为10 km状态的激波后的烧蚀环境。

采用齿轮泵将航空煤油以0.4 kg/min的流量与流量为930标准升/分(SLM)的氧气在燃烧室中混合,经雾化点燃后,形成高温高压的富氧燃气,该化学反应方程式如式(1)所示:

C12H24+6O2→12CO+12H2

(1)

该高温高压燃气经喷管喷出,形成高速射流,射流的实验照片如图2(a)所示。采用Fluent软件对此射流进行仿真计算:采用标准k-ε模型,以稳态、隐式解法步进求解[7],可求得射流场的温度分布结果如图2(b)中图所示,计算结果显示射流在出口处的温度约为2 800 K。

图2 射流的温度分布Fig.2 Temperature distribution of jet

射流从喷管喷出后,与周围的空气发生剧烈的热交换,射流的温度将急剧下降,根据射流理论,其轴心线处的温度分布可用式(2)得出[8]:

(2)

式中,ΔTg=Tg-Tα;ΔTe=Te-Tα;Tg为焰流温度;Ta为大气温度,Te为喷管出口焰流温度;re为射流出口处的半径;x为射流的轴向距离;α为射流外边界的夹角;θ为射流出口处的温度与周围大气的温度之比。经过计算,可得此工况下射流轴心线上的温度分布如图3所示。

图3 射流在轴线上的温度分布Fig.3 Temputure distribution of jet

1.3 烧蚀率分析

将圆锥形试件的锥顶正对着来流的方向置于温度约为1 773 K处的射流中心线上,进行时间为60 s的高超声速烧蚀实验。采用精度为0.1 mg的电子天平测量试样烧蚀前后的质量差,用精度为0.01 mm的深度尺测量试样烧蚀前后尺寸的变化。试件的线烧蚀率和质量烧蚀率分别由式(3)和式(4)得出[8]:

Rd=(d1-d2)/t

(3)

Rm=(m1-m2)/t

(4)

其中,Rd为线烧蚀率;d1和d2分别为试样烧蚀前后的尺寸;t为烧蚀时间;Rm为质量烧蚀率;m1和m2分别为试样烧蚀前后的质量。

1.4 力学性能分析

采用Instron 3369型材料力学试验机对C/C-SiC复合材料试件做三点弯曲强度测量和层间剪切强度测量。弯曲强度的计算公式如式(5)所示[9-10]:

(5)

式中:δf为弯曲强度(MPa);P为最大载荷(N);L为支点之间的跨距(mm);b为试样的宽度(mm);d为试样的厚度(mm)。层间剪切强度的测量公式如式(6)所示:

(6)

2 试验结果及讨论

2.1 烧蚀率

对4个试件烧蚀前后的质量和驻点区的尺寸进行多次测量,取其平均值,得出4个试件的线烧蚀率和质量烧蚀率如表2所示。

表2 线烧蚀率与质量烧蚀率Table 2 Ablation rates of specimens

由表2可知,锥形C/C-SiC复合材料试件在速度为6马赫的射流中的线烧蚀率平均为0.047 4 mm/s,质量烧蚀率平均为0.038 3 g/s。由试验结果可以看出该材料具有较好的抗烧蚀性能。

2.2 力学性能

采用Instron 3369 型材料力学试验机分别测量试件烧蚀前后的弯曲强度和层间剪切强度,烧蚀前的弯曲强度为92 MPa,烧蚀后的弯曲强度为84 MPa;烧蚀前的层间剪切强度为10.6 MPa,烧蚀后的层间剪切强度为9.1 MPa,通过测试发现试件烧蚀前后都保持较好的力学性能,满足高超音速工况的需要。

2.3 烧蚀机理分析

对试件的驻点烧蚀区采用VEGA ⅡXMU型电子显微镜观察试件烧蚀后的微观形貌,如图4所示[11-15]。其中图4(a)为放大5.0×103倍的照片,由该照片可以看出试件烧蚀后的断面比较平整,基体和纤维没有较大的高度差,说明在高超声速射流的作用下,基体和纤维基本上同步消耗;同时,可以看见基体和纤维之间有缝隙,说明在高速气流的作用下,纤维和基体的结合处更容易被氧化反应而消耗,氧化反应后形成的凹坑进一步加剧了气流的湍流效应,容易形成“包销”结构。图4(b)为放大1.0×104倍的照片,通过观察可以发现,在基体和纤维的间隙中存在着少量的结晶,采用EDS分析结晶的成份,如图4(c)所示,发现该结晶为碳化硅。说明碳化硅颗粒在高温环境下熔化,形成液态的碳化硅吸附在基体和纤维中间,对复合材料形成了一定的保护作用。图4(d)为基体烧蚀后的5.0×103倍照片,通过照片可以发现基体表面有许多裂纹,说明在高超声速气流的作用下,基体受到气流的剥蚀作用而开裂。

图4 试样烧蚀后的电镜和EDS图Fig.4 Samples SEM and EDS of after ablation

3 结论

采用轴棒法编织、化学气相渗透工艺制成的C/C-SiC复合材料在高超音速射流中烧蚀前后的弯曲强度分别为 92 MPa和84 MPa;层间剪切强度分别为10.6 MPa和 9.1 MPa;线烧蚀率为0.047 4 mm/s,质量烧蚀率为0.038 3 g/s。通过测试发现试件烧蚀前后都保持较好的力学性能和耐烧蚀性能。

复合材料中碳纤维以热化学烧蚀为主,基体材料受热化学和机械剥蚀双重作用。复合材料中的SiC颗粒在高温下液化,沉积在碳纤维和基体之间提高了试件的烧蚀性能。