Gr/Al-Mg复合材料抗热震与抗烧蚀性能研究

论文摘要

本文以复合材料抗烧蚀、抗热震为目标确定了复合材料组元,采用高纯石墨作为骨架,Al:Mg混合比为10:0、3:1、1:1、1:3和0:10的Al-Mg合金作为冷却剂,利用压力浸渗法制备了五种Gr/Al-Mg复合材料。利用光学显微镜、扫描电镜（SEM）、热膨胀分析仪、热导率测试仪等多种测试手段对复合材料的微观组织、力学及热物理性能进行了研究,并分析了相关的影响因素。利用氧乙炔烧蚀试验考察了复合材料的抗热震性及抗烧蚀性,建立了复合材料热传导模型和机械冲刷模型,理论上推导分析了复合材料冷却剂发汗量和所受冲刷量,进而分析了复合材料质量烧蚀率的影响因素。五种石墨渗金属防热复合材料的抗弯强度和导热系数随冷却剂中Mg含量的增多呈近抛物线形式变化;弹性模量随冷却剂中镁含量的增加逐渐下降;Gr/Al的线膨胀系数最低,Gr/Mg的最高,冷却剂为合金的不单纯依赖于Al/Mg比例的变化。根据国家军用标准GJB323A-96进行了氧乙炔火焰烧蚀试验,在加热和冷却过程中没有出现崩裂现象,复合材料表面也没有宏观裂纹产生,均具有良好的抗热震性。对热场和热应力场的数值模拟结果表明:加热过程中,前10s内,试样内部温度变化剧烈,2s时热应力达峰值。15s后基本转变为稳态温度场,热应力场逐渐减小。Gr/50Al-50Mg内的热应力场最大,且强度低;Gr/Al的热应力场最小,且材料强度最高,因此Gr/Al抗热震性最优。复合材料的烧蚀产物为Al2O3、MgO或其混合物,烧蚀件剖面冷却剂的成分呈梯度分布。复合材料的质量烧蚀率在10-4g/s量级。随烧蚀时间的延长和冷却剂中铝镁含量比例逐步接近1:1,质量烧蚀率逐渐降低。本研究中的Gr/50Al-50Mg复合材料烧蚀30s的抗烧蚀性最强。复合材料的烧蚀机制为金属相的熔化蒸发相变、热化学烧蚀和陶瓷相的机械冲刷。针对三种烧蚀机制,对复合材料质量烧蚀率进行理论推导,结果表明:复合材料发汗量随冷却剂相变点的升高而减小;热化学烧蚀量由初始的速率控制逐步转为扩散控制;冲刷量随冷却剂熔点的升高和熔融液面粘度系数的增加而减小。理论推导结果与试验测量结果相吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 发汗式防热复合材料的研究现状
• 1.2.1 钨渗铜复合材料
• 1.2.2 石墨渗铜复合材料
• 2/Cu 复合材料'>1.2.3 TiB₂/Cu 复合材料
• 1.2.4 石墨渗铝复合材料
• 1.3 防热材料抗热震性能研究进展
• 1.4 防热材料烧蚀性能研究进展
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 试验用材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 复合材料组织观察
• 2.2.2 复合材料弯曲性能测试
• 2.2.3 复合材料热膨胀系数测试
• 2.2.4 复合材料热导率测试
• 2.2.5 XRD 物相分析
• 2.2.6 氧乙炔烧蚀试验
• 2.2.7 有限元数值模拟
• 第3章 复合材料的设计制备及性能
• 3.1 引言
• 3.2 复合材料的设计
• 3.2.1 发汗防热复合材料的要求及选择依据
• 3.2.2 原材料的选择
• 3.3 复合材料的制备
• 3.3.1 复合材料的制备
• 3.3.2 复合材料的金相组织
• 3.4 复合材料的基本性能
• 3.4.1 复合材料力学性能
• 3.4.2 复合材料热物理性能
• 3.5 本章小结
• 第4章 复合材料抗热震性能评价
• 4.1 引言
• 4.2 复合材料抗热震性能评价
• 4.3 冷却剂对复合材料抗热震性能的影响
• 4.3.1 非稳态温度场的数值模拟
• 4.3.2 冷却剂成分对非稳态温度场的影响
• 4.3.3 非稳态热应力场的数值模拟
• 4.3.4 冷却剂成分对非稳态热应力场的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 复合材料烧蚀性及抗烧蚀机理
• 5.1 引言
• 5.2 烧蚀试验及烧蚀条件
• 5.3 烧蚀产物及烧蚀形貌分析
• 5.3.1 复合材料烧蚀产物XRD 分析
• 5.3.2 复合材料烧蚀形貌SEM 分析
• 5.4 复合材料烧蚀机理分析
• 5.4.1 复合材料的烧蚀过程
• 5.4.2 复合材料的烧蚀机制
• 5.5 复合材料抗烧蚀性的理论计算与分析
• 5.5.1 复合材料的质量烧蚀率
• 5.5.2 复合材料烧蚀模型的建立
• 5.5.3 复合材料的相变量
• 5.5.4 复合材料的热化学烧蚀量
• 5.5.5 复合材料的冲刷量
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢