賈艷秋，魏坤龍，唐 敏，賈寅峰

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院，西安 710025；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025；3.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十三所，西安 710025)

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背壁5-II材料高溫?zé)嵛锢硇阅芗拔⒔Y(jié)構(gòu)特征

賈艷秋1，魏坤龍2，唐 敏2，賈寅峰3

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院，西安 710025；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025；3.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十三所，西安 710025)

研究了背壁5-II材料的密度、失重率和孔隙率隨溫度的變化規(guī)律，測(cè)試了溫度對(duì)比定壓熱容、熱導(dǎo)率的影響，研究了不同溫度下和發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間熱試車(chē)下5-II材料的微結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，5-II材料密度隨溫度升高而降低，熱解后密度降至1.28 g/cm3，開(kāi)孔率在30%左右；比定壓熱容隨溫度升高而增大，熱導(dǎo)率隨溫度緩慢降低；隨溫度升高，其微結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為孔隙的大量增加和貫通，密度和孔隙率可作為固體發(fā)動(dòng)機(jī)背壁熱解失效的主要參量。

5-II材料；高溫?zé)嵛锢硖匦裕粺峤?；微結(jié)構(gòu)特征

0 引言

背壁是固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯的防熱部件，主要起延緩喉襯溫度向外部傳遞，確保噴管殼體溫升在許用范圍內(nèi)。近年來(lái)，由于固體發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)和時(shí)間的不斷增加，噴管喉襯的熱環(huán)境越來(lái)越惡劣，極易導(dǎo)致喉襯穿火失效。其中，背壁的熱解碳化被認(rèn)為是穿火的主要原因。因此，研究背壁材料在高溫下的熱響應(yīng)和熱物理性征對(duì)于喉襯的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的意義[1-2]。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作喉襯組件的溫度場(chǎng)較高，加劇了背壁材料在高溫下的熱解和碳化作用，而這些現(xiàn)象在短時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)中并不明顯，導(dǎo)致研究基礎(chǔ)很薄弱。孟松鶴等[3]測(cè)試了石棉/酚醛復(fù)合材料常溫、200 ℃和400 ℃的拉伸和壓縮性能，隨溫度升高，材料強(qiáng)度明顯下降，碳化影響材料強(qiáng)度。文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為，酚醛類(lèi)熱防護(hù)材料完全暴露于一個(gè)較高的熱通量和易引起化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境中時(shí)，材料將會(huì)發(fā)生熱分解，自受熱面的相反面開(kāi)始，首先會(huì)出現(xiàn)一個(gè)無(wú)降解的低溫區(qū)域，該區(qū)域具有初始狀態(tài)的低孔隙率和低滲透率，且存在諸如水和化學(xué)物質(zhì)的熱蒸發(fā)。當(dāng)材料內(nèi)部溫度達(dá)到300～600 ℃時(shí)[6]，熱解反應(yīng)將長(zhǎng)聚合鏈結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂基體材料轉(zhuǎn)化為高分子質(zhì)量的氣態(tài)化學(xué)元素和一種含碳的固態(tài)殘余物，材料的孔隙率和滲透率隨固態(tài)物質(zhì)的損耗一直在迅速增加。張亞妮等[7]研究了C/SiC復(fù)合材料酚醛樹(shù)脂預(yù)織體在高溫分解階段材料的密度、開(kāi)氣孔率以及失重率隨溫度的變化，研究了材料內(nèi)部孔隙分布等微觀結(jié)構(gòu)的演變特征。其研究成果認(rèn)為，酚醛基C/C材料隨溫度升高，逐漸熱解，將形成貫通性裂紋體系。馬偉等[8]使用激波管作為加熱手段研究了酚醛樹(shù)脂在1 200～1 800 K溫度范圍內(nèi)的熱解特征，發(fā)現(xiàn)隨著熱解溫度的升高，酚醛樹(shù)脂的熱解機(jī)理發(fā)生重大變化。1 400 K以下，熱解斷鍵過(guò)程主要發(fā)生在亞甲基橋鏈結(jié)構(gòu)上；1 400 K以上，芳環(huán)開(kāi)環(huán)成為主要的熱解通道，生成大量的乙炔。

本文以固體發(fā)動(dòng)機(jī)噴管常用5-II背壁材料(石棉酚醛模壓材料)為研究對(duì)象，研究了5-II材料密度、失重率和孔隙率隨溫度的變化規(guī)律，測(cè)試了溫度相關(guān)的熱導(dǎo)率和比熱容，利用掃描電鏡研究了不同溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間熱試車(chē)后5-II材料的物理特性和微結(jié)構(gòu)特征。

1 實(shí)驗(yàn)方法

研究所用的背壁材料是由重慶合成化工廠生產(chǎn)的5-II材料(石棉纖維增強(qiáng)樹(shù)脂模壓制品)，材料原始密度1.85～1.9 g/cm3，酚醛樹(shù)脂體積分?jǐn)?shù)38%～42%。為了研究溫度對(duì)材料熱物理性能的影響，從同一塊材料上取樣，試樣見(jiàn)圖1，并將試樣分成11批次進(jìn)行熱處理，每批次5個(gè)試樣。每批材料的熱處理方式見(jiàn)表1，即每批材料均在指定溫度下在熱處理爐中保溫10 min，然后取出進(jìn)行失重率、密度等的測(cè)試。

圖1 背壁測(cè)試試樣及其尺寸

批次0102030405060708091011溫度/K常溫373473573673773873973107311731273保溫時(shí)間/min1010101010101010101010

用萬(wàn)分之一精度的電子天平對(duì)熱處理前后的試樣進(jìn)行稱(chēng)重，計(jì)算其失重率。通過(guò)掃描電子顯微鏡分析熱處理后的微結(jié)構(gòu)特征。試樣的密度和開(kāi)氣孔率采用阿基米德法精確測(cè)量，通過(guò)式(1)和式(2)即可得到試樣的密度和開(kāi)氣孔率：

ρ=mρ0/(m-m0)

(1)

P=(m1-m)/(m1-m0)

(2)

式中ρ為試樣密度，g/cm3；ρ0為水的密度，g/cm3；P為試樣開(kāi)孔率；m為試樣在空氣中的質(zhì)量，g；m0為試樣在蒸餾水中的質(zhì)量，g；m1為試樣在水中浸泡24 h后取出將水輕擦后的質(zhì)量，g。

對(duì)不同熱處理溫度后的試樣又進(jìn)行了比熱容和熱導(dǎo)率隨溫度變化的測(cè)試，采用德國(guó)Netzsch公司的LFA457型激光導(dǎo)熱儀進(jìn)行高溫比熱容、熱導(dǎo)率的測(cè)試，設(shè)備測(cè)量溫度范圍298～1 473 K，本文測(cè)試到1 373 K。由于熱導(dǎo)率一般采用間接測(cè)量的方法得出，測(cè)量時(shí)得到的是材料的熱擴(kuò)散率和比熱，熱導(dǎo)率則按式(3)求得：

λ=D·cp·Q

(3)

式中λ為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；D為熱擴(kuò)散率，m2/s；cp為比定壓熱容，kJ/(kg·K)；Q為密度，kg/m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下5-II材料物理特性和微結(jié)構(gòu)特征

高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，5-II材料中所含的酚醛樹(shù)脂經(jīng)過(guò)高溫分解轉(zhuǎn)化為碳，從而使材料轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫督Y(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。圖2給出了背壁材料從293～1 273 K熱處理過(guò)程中失重率與溫度的關(guān)系。失重率指在不同溫度下試樣的質(zhì)量相對(duì)原始質(zhì)量的變化率。相對(duì)失重率指在升溫過(guò)程中，試樣每次稱(chēng)重相對(duì)前一次稱(chēng)重的質(zhì)量變化率。

圖2 不同熱處理溫度下的5-II材料失重率

由圖2可見(jiàn)，從室溫加熱到1 273 K過(guò)程中，總失重率隨溫度的變化可分為3個(gè)階段?；w酚醛樹(shù)脂約從473 K開(kāi)始緩慢分解，在整個(gè)分解過(guò)程中，失重率隨溫度升高而上升。第1階段：473～673 K總失重率升高(3.1%→4.7%)；第2階段：673～973 K總失重率隨溫度升高而快速增長(zhǎng)(失重率增加22.3%，4.7%→27%)；第3階段：973～1 273 K總失重率緩慢升高(27%→32.3%)。

由相對(duì)失重率曲線(xiàn)也可看出，673～973 K范圍內(nèi)相對(duì)失重率的絕對(duì)值高于其他溫度范圍的值，說(shuō)明該溫度范圍基體分解速度較快，最大值出現(xiàn)在773～873 K之間，說(shuō)明基體分解速度在該溫度下最快，從873～1 273 K時(shí)，分解速度減慢。

材料在高溫分解階段轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫紫兜膹?fù)合材料，材料的密度、開(kāi)孔率與溫度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同熱處理溫度下的5-II材料密度和開(kāi)孔率

由圖3可看出，473 K以下密度基本不變化，473～673 K密度有所下降(1.88→1.8 g/cm3)，673～973 K密度隨溫度升高快速下降(密度下降了0.42 g/cm3，1.8→1.38 g/cm3)，973～1 273 K密度緩慢下降(1.38→1.28 g/cm3)。開(kāi)孔率的變化與密度呈現(xiàn)出基本對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)，背壁完全熱解后開(kāi)孔率在30%左右。

圖4為在不同溫度下5-II材料的微結(jié)構(gòu)特征，200 ℃時(shí)微觀孔隙較少，說(shuō)明在該溫度下材料基本不分解；500 ℃時(shí)材料表面出現(xiàn)部分孔隙，說(shuō)明材料在該溫度下已經(jīng)緩慢分解；800 ℃時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)大部分孔隙，說(shuō)明材料在該溫度下分解很劇烈；1 000 ℃下材料表面出現(xiàn)大部分孔隙，材料基本完全分解。

(a)200 ℃ (b)500 ℃

(c)800 ℃ (d)1 000 ℃

2.2 溫度對(duì)5-II材料比定壓熱容和熱導(dǎo)率的影響

圖5給出了5-II材料的比定壓熱容隨溫度變化的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明：(1)某一熱處理溫度下，其比定壓熱容隨溫度變化較復(fù)雜，總體上隨溫度增加而降低，但在673～973 K和1 173～1 273 K之間比定壓熱容有所增大，這與材料在此區(qū)間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)吸收熱量有關(guān)；(2)熱處理溫度越高，各溫度點(diǎn)的比熱越高；(3)經(jīng)過(guò)1 273 K溫度熱處理后的試樣，相比于1 173 K熱處理后的試樣，在1 273 K和1 373 K 2個(gè)溫度點(diǎn)的比熱偏差分別為1.3%和2.1%，說(shuō)明材料經(jīng)過(guò)1 273 K溫度后基本熱解完全。

圖5 比定壓熱容隨溫度變化曲線(xiàn)

圖6給出了不同熱處理狀態(tài)下5-II熱導(dǎo)率隨溫度變化的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明：(1)5-II材料的熱導(dǎo)率隨溫度的變化趨勢(shì)十分復(fù)雜，這與材料在受熱狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)；(2)經(jīng)過(guò)1 173 K和1 273 K溫度熱處理后的2種試樣，在1 273 K和1 373 K 2個(gè)溫度點(diǎn)的熱導(dǎo)率偏差(后者比前者)分別為1.7%和4.3%，進(jìn)一步證明了5-II材料經(jīng)過(guò)1 273 K溫度后已經(jīng)熱解完全。

圖6 熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線(xiàn)

基于式(3)，結(jié)合該材料隨溫度升高比熱的變化趨勢(shì)，可得出5-II材料熱導(dǎo)率隨溫度所呈現(xiàn)的復(fù)雜變化趨勢(shì)與該材料在不同溫度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)吸收和放出熱量密切相關(guān)。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間試車(chē)后5-II材料的物理特性和微結(jié)構(gòu)特征

對(duì)3發(fā)長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車(chē)后的5-II背壁物理特性進(jìn)行研究。其中，1#發(fā)動(dòng)機(jī)為單室雙推力發(fā)動(dòng)機(jī)，工作時(shí)間85 s；2#發(fā)動(dòng)機(jī)為雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)I、II脈沖工作時(shí)間均為15 s，脈沖間隔100 s；3#發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間175 s，發(fā)動(dòng)機(jī)工作后期喉部穿火。

結(jié)果表明，1#發(fā)動(dòng)機(jī)5-II背壁密度1.479 g/cm3，孔隙率27.5%，略小于5-II材料熱解完全后的密度和孔隙率。圖7是不同放大倍數(shù)下背壁的微結(jié)構(gòu)特征。由圖7可見(jiàn)，背壁表面有較大直徑鋁粒子存在，微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為疏松的纖維附著，說(shuō)明背壁已經(jīng)接近臨界失效狀況。

2#發(fā)動(dòng)機(jī)背壁測(cè)試密度為1.551 g/cm3，孔隙率18.8%，密度和孔隙率均小于5-II材料熱解完全后的密度和孔隙率。圖8是不同放大倍數(shù)下背壁的微結(jié)構(gòu)特征。在背壁表面有較小直徑的鋁粉附著，微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為多孔結(jié)構(gòu)，考慮到后效特性，說(shuō)明試車(chē)過(guò)程中背壁的絕熱密封是安全的。

(a)×500 (b)×1 000

3#發(fā)動(dòng)機(jī)背壁測(cè)試密度1.33 g/cm3，孔隙率31.3%，密度和孔隙率均大于5-II熱解完全后的密度和孔隙率。圖9是不同放大倍數(shù)下背壁的微結(jié)構(gòu)特征。在背壁表面有直徑不等的多種鋁粉附著，微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為完全的纖維絲附著，由于試車(chē)過(guò)程穿火，說(shuō)明該狀態(tài)下，背壁已熱解完全，失去絕熱密封作用。

(a)×500 (b)×1 000

3 結(jié)論

(1)5-II材料密度隨溫度升高而下降，熱解后密度降至1.28 g/cm3，開(kāi)孔率在30%左右。

(2)5-II材料比定壓熱容隨溫度升高而增加，熱導(dǎo)率隨溫度逐漸降低，變化幅度較為平緩。

(3)隨溫度升高，5-II材料微結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為孔隙的大量增加和貫通，密度和孔隙率可作為5-II背壁熱解失效參量。

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(編輯：劉紅利)

Thermophysical performance and microstructure characteristic of the 5-II material under high temperature

JIA Yan-qiu1，WEI Kun-long2，TANG Min2，JIA Yin-feng3

(1.The Fourth Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710025，China；2.The 41st Institute of the Fourth Academy of the CASC，Xi'an 710025，China；3.The 43rd Institute of the Fourth Academy of the CASC，Xi'an 710025，China)

The back wall is the thermal protection part of nozzle in the solid rocket motor, its thermophysical performance under high temperature is of significance to the thermal design. The effect of temperature on the density, weight loss and porosity of 5-II used as the back wall material is investigated by experiments. The temperature related specific heat,thermal conductivity and expansion are tested. The pyrolysis and microstructure of 5-II under high temperature is observed. The results indicate that the density decreases to 1.28 g/cm3with temperature rises, and the porosity is about 30% when the pyrolysis completes. The specific heat increases with temperature, and the conductivity decreases slowly. 5-II material exhibits a large amount of pore in microstructure with temperature increases, and the density and porosity can be chosen as the main parameter charactering the back wall failure.

5-II material;thermo physical performance;pyrolysis;microstructure characteristic

2015-03-26；

2015-04-04。

賈艷秋(1977—)，女，碩士，主要從事固體發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail:151467732@qq.com

V259

A

1006-2793(2015)03-0415-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.03.023