碳/酚醛复合材料烧蚀过程的实验模拟及数值分析

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碳/酚醛复合材料作为一种防热复合材料广泛应用于航空航天领域,它是通过自身烧蚀带走热量而起到防热效果的。本文以布带缠绕碳/酚醛复合材料为对象,研究了材料的高温烧蚀性能。利用氧-乙炔烧蚀实验装置,配合光学高温计及热电偶,可以实时地监测烧蚀过程中材料表面及内部的温度场,从温度测量结果可以看出,材料内部温度呈指数形式分布,符合碳/酚醛复合材料烧蚀过程的理论解。  利用热分析技术,分析了材料在不同升温速率、不同气氛环境下的失重关系,并通过热重反应动力学方法计算了反应活化能。根据控制体积法建立了树脂热解过程的质量守恒、能量守恒及热传导微分方程,求解了碳/酚醛复合材料烧蚀过程的温度分布及密度变化的理论解。利用光学显微镜及扫描电镜对烧蚀形貌进行了微观分析,指出了几种不同的破坏形式:裂纹、孔洞、剥蚀等。并且着重分析了裂纹产生的原因及其分布规律。  利用ANSYS模拟碳/酚醛复合材料的烧蚀过程,得到烧蚀过程的温度场及应力场。温度场计算结果与实验测量值吻合,应力场结果与碳/酚醛材料在实验过程中表现的性能一致(应力较大的区域出现了裂纹)。利用蔡-希尔准则判断了材料在不同温度下的破坏情况,从结果可以看出,温度超过200℃材料将发生破坏,表现为树脂热解区出现微观裂纹。
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