查柏林，高雙林，林 浩，羅 雷，張博文，朱杰堂，孫振生

(火箭軍工程大學(xué)，西安 710025)

燒蝕角度對(duì)C/C復(fù)合材料燒蝕行為的影響

查柏林，高雙林，林 浩，羅 雷，張博文，朱杰堂，孫振生

(火箭軍工程大學(xué)，西安 710025)

燒蝕角度對(duì)C/C復(fù)合材料的耐燒蝕性能有顯著的影響，采用自主研發(fā)的氧-煤油燒蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)軸棒法編織的三維四向C/C復(fù)合材料進(jìn)行燒蝕/侵蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的典型角度分別為90°,60°,45°，侵蝕時(shí)的粒子濃度為1.37%。測算試樣的宏觀燒蝕率，并采用掃描電鏡(SEM)觀察了試樣燒蝕后的微觀形貌。分析了角度對(duì)C/C復(fù)合材料燒蝕行為的影響規(guī)律，并探討其燒蝕機(jī)理。結(jié)果表明：不加粒子進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒蝕角度90°，60°，45°對(duì)應(yīng)的試樣質(zhì)量燒蝕率分別為0.146，0.123，0.100g/s，隨燒蝕角度的減小，質(zhì)量燒蝕率加速降低；加粒子進(jìn)行侵蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒蝕角度90°，60°，45°對(duì)應(yīng)的試樣質(zhì)量燒蝕率分別為0.452,0.455,0.432g/s，線燒蝕率分別為1.863,1.323,0.843mm/s，隨燒蝕角度的減小，質(zhì)量燒蝕率基本不變，線燒蝕率逐漸降低。燒蝕角度越小，射流的沖刷作用越強(qiáng)，伴隨熱化學(xué)燒蝕的作用，導(dǎo)致燒蝕/侵蝕實(shí)驗(yàn)條件下，徑向纖維的燒蝕梯度均增加；燒蝕實(shí)驗(yàn)條件下，軸向纖維束外沿的受沖刷區(qū)域變大。關(guān)鍵詞： 燒蝕角度；C/C復(fù)合材料；質(zhì)量燒蝕率；線燒蝕率；燒蝕性能

C/C復(fù)合材料是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的新型超高溫材料[1]，它具有密度低、熱膨脹系數(shù)小、抗熱震性能好、在高溫條件下的強(qiáng)度隨溫度的升高不降反升等優(yōu)良性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的關(guān)鍵防熱部件[2，3]，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉襯、戰(zhàn)略導(dǎo)彈的彈頭。在這些應(yīng)用場所，C/C復(fù)合材料的工作環(huán)境均十分惡劣，對(duì)材料的燒蝕包含了熱化學(xué)燒蝕、機(jī)械剝蝕和粒子侵蝕。因此，開展C/C復(fù)合材料模擬燒蝕實(shí)驗(yàn)，對(duì)研究其在復(fù)雜熱力環(huán)境下的燒蝕機(jī)理和指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)將具有重要意義。

目前，Yin等[4]利用SRM地面點(diǎn)火裝置對(duì)C/C喉襯材料進(jìn)行了燒蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明熱化學(xué)燒蝕和機(jī)械剝蝕都會(huì)引起C/C復(fù)合材料的燒蝕。王磊等[5]對(duì)C/C復(fù)合材料在粒子沖刷條件下的燒蝕性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在含粒子條件下，C/C復(fù)合材料的燒蝕形貌發(fā)生了較大的變化，與不含粒子條件下的燒蝕機(jī)理完全不同。Shameel等[6]利用氧-乙炔火焰研究了密度和纖維取向?qū)/C復(fù)合材料燒蝕性能的影響，結(jié)果表明密度大的材料抗燒蝕性能好，平行于射流的纖維首先被燒成針尖狀，最終會(huì)在射流的作用下變鈍。孫銀潔等[7]對(duì)C/C復(fù)合材料喉襯燒蝕細(xì)/微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，認(rèn)為喉襯燒蝕形貌的差異主要由燃?xì)獾臏囟取⒔M分濃度、流速等引起。這些研究側(cè)重于分析粒子、燃?xì)馓匦院筒牧媳旧硇再|(zhì)對(duì)C/C復(fù)合材料燒蝕行為的影響，在燒蝕角度方面的實(shí)驗(yàn)和研究較少。

采用自主研發(fā)的氧-煤油模擬燒蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[8]，進(jìn)行燒蝕/侵蝕實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)燒蝕角度(射流與試樣燒蝕面的夾角)和粒子濃度的有效控制，產(chǎn)生超音速的氣-固兩相流，在模擬極端條件下的熱環(huán)境方面有較大優(yōu)勢，且操作簡單，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備周期短，現(xiàn)已在航天、兵器等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本原理為：以氧氣為助燃劑、航空煤油為燃料，通過控制系統(tǒng)使兩者按照設(shè)定的流量輸送至燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)，通過霧化形成可燃混合氣體進(jìn)入燃燒室，經(jīng)火花塞點(diǎn)火燃燒形成高溫高壓的燃?xì)?，通過拉瓦爾噴管，形成超音速射流。粉末通過送粉器注入射流，與燃?xì)鈸交旌螅?jīng)加溫、加速形成實(shí)驗(yàn)所需的特定氣固兩相流環(huán)境，噴射到試樣表面，對(duì)試樣進(jìn)行燒蝕[8]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the experiment system

1.2 實(shí)驗(yàn)

燒蝕/侵蝕實(shí)驗(yàn)均選用軸棒法編織，瀝青高溫裂解碳工藝制備的三維四向C/C復(fù)合材料[9]，其整體密度高達(dá)1.99g/cm3，軸向纖維含量為30%。采用燒蝕/侵蝕兩種實(shí)驗(yàn)方式研究C/C復(fù)合材料的燒蝕行為：燒蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)不加入粒子，侵蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)加入粒徑約為15～45μm的Al2O3粉末，用以模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的含鋁工況，粉末密度為3.900g/cm3。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作參數(shù)如表1所示，其中噴嘴直徑為12mm，燒蝕距離為試樣與燒蝕發(fā)動(dòng)機(jī)出口之間的長度，此條件下，到達(dá)試樣的射流溫度約為2100K、速率約為1400m/s[10]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際情況和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)收斂半角設(shè)計(jì)要求[11]，選取三種典型的燒蝕角度分別為90°(駐點(diǎn)燒蝕)，60°，45°。針對(duì)不同燒蝕角度，在燒蝕/侵蝕

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作參數(shù)

的條件下分別展開實(shí)驗(yàn)。不加粒子進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)的時(shí)間定為20s，加入粒子后射流熱環(huán)境更加惡劣，主要表現(xiàn)為達(dá)到試樣的為固態(tài)粒子且速率較高，為確保試樣不被擊穿，粒子濃度設(shè)定值比實(shí)際SRM推進(jìn)劑的含鋁量低，其值為1.37%[12]，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)定較短，其值為3s。具體實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 燒蝕實(shí)驗(yàn)方案

用精度為1mg電子天平測量試樣燒蝕前后的質(zhì)量，計(jì)算試樣的質(zhì)量燒蝕率。采用千分尺測量燒蝕面最大后退量，計(jì)算線燒蝕率。同時(shí)采用VEGAⅡ型掃描電鏡(SEM)觀察燒蝕/侵蝕實(shí)驗(yàn)后試樣基體、軸向纖維束、徑向纖維的燒蝕形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀燒蝕率分析

由于燒蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒蝕面最大后退位置不易確定，最大后退量的測量誤差較大，僅測算出經(jīng)粒子侵蝕后試樣的線燒蝕率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表3中可以得出：燒蝕條件下，燒蝕角度從90°減小到60°和從60°減小到45°的過程中，試樣質(zhì)量燒蝕率均下降了0.023g/s，隨燒蝕角度的減小，試樣質(zhì)量燒蝕率加速下降；侵蝕條件下，試樣質(zhì)量燒蝕率基本不隨燒蝕角度變化，但其值約為同條件下燒蝕實(shí)驗(yàn)的3～4倍。燒蝕角度從90°逐漸減小到45°時(shí)，試樣線燒蝕率逐漸降低，其降低量分別為0.540mm/s和0.478mm/s。

以試樣為基準(zhǔn)對(duì)射流作用進(jìn)行簡化分解，將其分解為垂直于試樣表面的法向作用和平行于試樣表面的切向作用，如圖2所示[12]。射流的法向作用集中作用在試樣表面，射流的切向作用沿試樣表面發(fā)生偏移，作用力分散。隨燒蝕角度的增加，法向作用逐漸增強(qiáng)，切向作用逐漸減弱。

圖2 不同燒蝕角度時(shí)射流作用簡化分解示意圖[12] (a)90°；(b)60°；(c)45°Fig.2 Diagram of the effect of simplified jet under different ablation angles[12] (a)90°；(b)60°；(c)45°

結(jié)合燒蝕后的形貌分析：在圖3(a)中試樣的燒蝕中心(圓形區(qū)域)存在凹坑[13]，該區(qū)域受射流法向作用明顯，在切向作用較大的試樣邊緣(橢圓區(qū)域)，表面形貌基本無變化，由此可知，不加粒子時(shí)射流的法向作用是影響質(zhì)量燒蝕率的主要因素，燒蝕角度越小，射流的法向作用越小，試樣的質(zhì)量燒蝕率越??；加入粒子后，粒子的侵蝕作用嚴(yán)重破壞了試樣的整體形貌，是影響質(zhì)量燒蝕率的主要因素，如圖3(b)所示，而燒蝕角度對(duì)其影響相對(duì)較小。此時(shí)，試樣的最大后退位置出現(xiàn)在凹坑中心，受射流的法向作用明顯，燒蝕角度越小，射流的法向作用越小，試樣的線燒蝕率越小。

圖3 實(shí)驗(yàn)后典型形貌 (a)試樣1；(b)試樣6Fig.3 Typical morphologies of samples after ablation (a)No 1;(b)No 6

2.2 基體燒蝕形貌分析

按照基體片層結(jié)構(gòu)的取向，將基體分為與燒蝕面平行的平行層面基體和與其垂直的垂直層面基體。燒蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒蝕中心區(qū)域普遍存在兩種燒蝕形貌，如圖4所示。圖4(a)中平行層面基體的局部外觀較平整，在熱化學(xué)燒蝕和氣流機(jī)械剝蝕的耦合作用下，材料的強(qiáng)度逐漸降低[14]，達(dá)到一定程度后，射流的切向作用引起了平行層面基體的片狀剝落，進(jìn)而產(chǎn)生了較平整的局部外觀。圖4(b)中所示的垂直層面基體上留有明顯的“沖刷溝”。射流的切向作用沖刷垂直層面基體的各個(gè)層面，熱化學(xué)燒蝕的作用又加劇了層間基體碳的消耗，增加了層間距，二者共同導(dǎo)致了“沖刷溝”的形成。

2.3 軸向纖維束燒蝕形貌分析

圖5所示為燒蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒蝕中心區(qū)域軸向纖維束的形貌圖。隨燒蝕角度的增加，軸向纖維束外沿受沖刷區(qū)域的范圍變小(橢圓區(qū)域?yàn)槔w維束與基體結(jié)合處)。由于軸向纖維束與基體熱膨脹系數(shù)的差異，以及二者結(jié)合處存在缺陷，導(dǎo)致了在熱化學(xué)燒蝕、氣流剪切力和漩渦分離阻力的共同作用下基體與軸向纖維束的分離[15]，在燒蝕過程中，失去基體支撐的軸向纖維束外沿的纖維容易被射流的切向作用沖刷掉，而纖維束中心區(qū)域的纖維排列比較緊密，不容易被沖刷掉，所以燒蝕角度減小時(shí)，射流切向作用的增加，加劇了對(duì)軸向纖維束外沿的沖刷，引起軸向纖維束外沿受沖刷區(qū)域范圍的變大。

圖6為粒子侵蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒蝕中心區(qū)域軸向纖維束的形貌圖。與圖5的軸向纖維束燒蝕形貌相比，粒子侵蝕后的軸向纖維束整體出現(xiàn)了沖刷形貌，不只局限于纖維束外沿。燒蝕角度為90°時(shí)，射流與軸向纖維束表面垂直，粒子對(duì)其的侵蝕以法向作用力的沖擊破壞為主，切向作用較小，燒蝕后的軸向纖維束表面較平整。燒蝕角度減小到60°，射流的切向作用增加，粒子侵蝕的切向作用力對(duì)纖維束的表面形貌也產(chǎn)生了較大影響，由于粒子的作用力不均勻，纖維束表面出現(xiàn)了圖6(b)所示的凹凸不平的形貌。當(dāng)燒蝕角度為45°時(shí)，射流的切向作用進(jìn)一步增強(qiáng)，軸向纖維束被整體剝落，如圖6(c)所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)后基體的典型SEM圖 (a)平行層面基體；(b)垂直層面基體Fig.4 Typical SEM images of matrix after test (a)parallel matrix；(b)vertical matrix

圖5 燒蝕條件下軸向纖維束SEM圖 (a)90°；(b)60°；(c)45°Fig.5 SEM images of the axial fiber bundle of samples under ablation condition (a)90°;(b)60°;(c)45°

圖6 侵蝕條件下軸向纖維束SEM圖 (a)90°；(b)60°；(c)45°Fig.6 SEM images of the axial fiber bundle of samples under erosion condition (a)90°;(b)60°;(c)45°

2.4 徑向纖維燒蝕形貌分析

圖7為燒蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)徑向纖維的燒蝕形貌圖。隨燒蝕角度的減小，徑向纖維沿纖維方向的燒蝕梯度越來越大，同時(shí)燒蝕后的徑向纖維均產(chǎn)生了典型的“筍尖狀”熱化學(xué)燒蝕形貌，單絲非常尖銳[14]。隨燒蝕角度減小，射流的切向作用增強(qiáng)，產(chǎn)生的沖刷效應(yīng)越來越明顯，導(dǎo)致沿射流切向的“筍尖狀”形貌越來越多，纖維斷口間距變小，燒蝕梯度變大。由于纖維和基體碳的界面處存在裂紋以及界面脫層等缺陷，這些缺陷有利于氧原子向內(nèi)部擴(kuò)散，產(chǎn)生界面燒蝕[16]，且碳纖維的抗燒蝕性能優(yōu)于基體碳，在氣流機(jī)械剝蝕的耦合作用下基體碳被消耗，導(dǎo)致了圖7中纖維之間基體碳消失殆盡現(xiàn)象的出現(xiàn)。

侵蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，徑向纖維的燒蝕形貌如圖8所示。角度越小，射流的切向作用越強(qiáng)，導(dǎo)致纖維的燒蝕梯度變大，與圖7進(jìn)行對(duì)比，在粒子侵蝕作用下纖維被直接折斷，不再呈現(xiàn)因熱化學(xué)燒蝕而產(chǎn)生的“筍尖狀”形貌，纖維之間的基體碳被消耗得較少，在該條件下，熱化學(xué)燒蝕對(duì)徑向纖維產(chǎn)生的影響較小。進(jìn)一步分析纖維的斷面形貌，當(dāng)燒蝕角度為90°時(shí)，從圖8(a)可以看出，纖維斷面基本與纖維垂直，斷面的坡度較大，而燒蝕角度為45°時(shí)，纖維束斷面的坡度較小，出現(xiàn)斷面形貌的纖維明顯增加，說明角度越小，粒子的切向作用力越大，伴隨氣流的機(jī)械剝蝕作用，引起纖維大范圍的折斷、剝落，但斷面坡度變緩。

圖7 燒蝕條件下徑向纖維SEM圖 (a)90°；(b)60°；(c)45°Fig.7 SEM images of the radial fiber of samples tested without particles (a)90°;(b)60°;(c)45°

圖8 侵蝕條件下徑向纖維SEM圖 (a)90°；(b)60°；(c)45°Fig.8 SEM images of the radial fiber of samples tested with particles introduced (a)90°;(b)60°;(c)45°

3 結(jié)論

(1)不加粒子進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒蝕角度90°，60°，45°對(duì)應(yīng)的試樣質(zhì)量燒蝕率分別為0.146，0.123，0.100g/s，隨燒蝕角度的減小，質(zhì)量燒蝕率加速降低；粒子侵蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，燒蝕角度90°，60°，45°對(duì)應(yīng)的試樣質(zhì)量燒蝕率分別為0.452，0.455，0.432g/s，線燒蝕率分別為1.863，1.323，0.843mm/s，隨燒蝕角度的減小，質(zhì)量燒蝕率基本不變，但其值約為同條件下不加粒子燒蝕時(shí)的3～4倍，線燒蝕率逐漸降低。

(2)燒蝕后的基體出現(xiàn)了兩種典型燒蝕形貌：平行層面基體經(jīng)燒蝕后產(chǎn)生片狀剝落；垂直層面基體經(jīng)燒蝕后出現(xiàn)了明顯的“沖刷溝”。

(3)隨燒蝕角度的減小，燒蝕條件下，軸向纖維束外沿的沖刷區(qū)域變大；粒子侵蝕下的軸向纖維束整體受到?jīng)_刷，燒蝕角度為45°時(shí)，軸向纖維束出現(xiàn)了整體剝落。

(4)燒蝕/侵蝕實(shí)驗(yàn)條件下，徑向纖維沿纖維方向的燒蝕梯度均隨燒蝕角度的減小而變大，但兩種條件下的燒蝕機(jī)理不一樣；燒蝕角度減小時(shí)，不加粒子燒蝕條件下的纖維斷面形貌無變化，經(jīng)粒子侵蝕后徑向纖維斷面的坡度變緩。

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(本文責(zé)編：解 宏)

Effects of Ablation Angle on the Ablation Behavior of C/C Composites

ZHA Bai-lin，GAO Shuang-lin，LIN Hao，LUO Lei，ZHANG Bo-wen，ZHU Jie-tang，SUN Zhen-sheng

(Rocket Force University of Engineering，Xi’an 710025，China)

There is a significant impact of ablation angle on the anti-ablation performance of C/C composites. A self-designed oxygen-kerosene ablation system was employed to study the ablation behavior and mechanism of C/C composites. Typical ablation angle of the experiment was 90°, 60°, 45° respectively, and particle concentration of the gas-solid two-phase ablation flow was 1.37%. The microstructure of post-test samples was observed with the scanning electron microscope(SEM), and the ablation rate of samples was also calculated. The result shows that when the ablation angle is 90°, 60°, 45° ,the corresponding mass ablation rate for ablation experiment is 0.146,0.123,0.100g/s respectively. With the decrease of ablation angle, the mass ablation rate of samples is decreased gradually; while for the samples affected by particle erosion, the corresponding mass ablation rate is 0.452,0.455,0.432g/s and the line ablation rate is 1.863,1.323,0.843mm/s. The mass ablation rate is approximately unchanged and the line ablation rate is decreased. The smaller the ablation angle is, the more serious the thermalchemical ablation of gas, and thus increase the erosion area of axial fiber bundle under ablation condition and ablation gradient of radial fiber under ablation/erosion condition.

ablation angle；C/C composite；mass ablation rate；line ablation rate；ablation performance

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000527

V258

A

1001-4381(2017)02-0054-06

2015-04-28；

2016-09-25

査柏林(1974-)，男，教授，博士，主要研究火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，聯(lián)系地址：陜西西安灞橋區(qū)洪慶鎮(zhèn)同心路2號(hào)(710025)，E-mail: zhabailin@163.com