高藝

摘要：碳/石英防熱復(fù)合材料是一種性能優(yōu)異的材料，在飛行器中具有重要作用。文章構(gòu)建了碳/石英防熱復(fù)合材料質(zhì)量燒蝕率的數(shù)學(xué)模型，該模型中包含熱流、焓值和壓力這3個(gè)參數(shù)。通過(guò)使用管狀電弧加熱器完成實(shí)驗(yàn)，獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)，然后使用回歸分析方法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。為了驗(yàn)證模型的有效性，對(duì)其進(jìn)行變量間相關(guān)性檢驗(yàn)、擬合優(yōu)度檢驗(yàn)、回歸模型顯著性檢驗(yàn)和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)。研究結(jié)果表明碳/石英防熱復(fù)合材料質(zhì)量燒蝕率的數(shù)學(xué)模型具有很好的擬合程度。

關(guān)鍵詞：碳/石英防熱復(fù)合材料;質(zhì)量燒蝕率;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)：C45;V258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-0076-04

如今，在很多高科技中需要需要使用到性能更好的復(fù)合材料，比如先進(jìn)飛行器、航空航天等中對(duì)復(fù)合材料的耐燒蝕、耐高溫性更加重視。碳/石英防熱復(fù)合材料正好具有非常好的抗燒蝕、耐高溫等性能，能夠很多領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。圖1即為碳/石英防熱復(fù)合材料的微觀形貌。碳纖維和石英這兩種材料在性能和制造工藝上匹配性良好，能夠提高復(fù)合材料的力學(xué)性能、抗震性能、防熱性能等，且在飛行器中具有深入的應(yīng)用。由于我國(guó)對(duì)碳/石英防熱復(fù)合材料在不同熱環(huán)境條件下的燒蝕性能研究較少，所以文章將對(duì)其質(zhì)量燒蝕率進(jìn)行研究，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，從而能夠反映出碳/石英防熱復(fù)合材料的燒蝕性能。

1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛢x器

實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)備有紅外測(cè)溫儀、管狀電弧加熱器等。

實(shí)驗(yàn)所需的模型是碳，石英防熱復(fù)合材料制成的駐點(diǎn)模型，該模型的高在30～40mm之間，直徑在25～30mm之間。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)駐點(diǎn)的表明溫度進(jìn)行測(cè)量，使用到的儀器為紅外測(cè)溫儀。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

首先將模型的軸線安裝在管狀電弧加熱器的中心線上，如圖2所示所示的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，然后在安裝過(guò)程中為了保證模型燒灼均勻，需要將模型截面平行于噴灌口截面。然后再根據(jù)圖2所示的安裝位置將紅外測(cè)溫度儀安裝在電弧加熱器上。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)量幾個(gè)參數(shù)，比如需要測(cè)量氣流的焓值，使用的計(jì)算方式為總壓流量法，熱流和壓力值就使用直接測(cè)量的方式，使用稱重法的方式得到材料的質(zhì)量灼燒率。首先需要進(jìn)行流程調(diào)試，然后再開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

2結(jié)果與分析

為了得到比較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文章將會(huì)進(jìn)行五十多次的實(shí)驗(yàn)，然后得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)參數(shù)記錄。圖3表示的三種不同系列下材料模型燒蝕后形貌。從圖中可以看出，基本上，燒蝕表面平坦，且存在白色產(chǎn)物，屬于一種熔融液態(tài)層，其中A系列的白色物質(zhì)存在于燒蝕表面，c系列表面上的物質(zhì)被吹到柱面上，因?yàn)榇藸顟B(tài)存在一定的壓力和剪切力，而當(dāng)狀態(tài)更高時(shí)，即為D系列，白色燒蝕產(chǎn)物直接白吹掉了。

3檢驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述分析獲得表2的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果，表中三個(gè)自變量代表的是樣本數(shù)據(jù)，從表中可以看出，表中前面的兩個(gè)自變量與r在0.5～0.62之間，從而可以認(rèn)為駐點(diǎn)壓力、氣體焓值和碳/石英質(zhì)量燒蝕率之間呈現(xiàn)出中度相關(guān)，而最后一個(gè)自變量和相關(guān)系數(shù)r達(dá)到了0.9958，所以能夠認(rèn)為駐點(diǎn)冷壁熱流密度和碳/石英質(zhì)量燒蝕率之間呈現(xiàn)出非常高的相關(guān)度。所以文章最終確定的數(shù)學(xué)模型滿足相關(guān)精度要求。

表3為模型檢驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出其R2值大于0.95，從而能夠說(shuō)明數(shù)學(xué)模型的擬合效果非常好。另外還能夠從表中觀察到回歸模型顯著檢驗(yàn)F值和總回歸方差P，從而都可以說(shuō)明文章構(gòu)建的數(shù)顯模型具有較好的擬合程度。

回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示，從中可以看出，總體上其顯著性都比較好，然而顯著性最好的為駐點(diǎn)壓力。

為了說(shuō)明3個(gè)參數(shù)模型的優(yōu)勢(shì)，然后將其與2個(gè)和1個(gè)參數(shù)模型相比，最終的對(duì)比結(jié)果在表5中顯示。從表中可以看出，3個(gè)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型其R2值最大，即可以說(shuō)明該數(shù)學(xué)模型具有更好的擬合效果，而且其總的誤差平方和也是最小的，于是將該數(shù)學(xué)模型能夠更好的放映出碳，石英防熱復(fù)合材料的質(zhì)量燒蝕性能。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章構(gòu)建了碳/石英防熱復(fù)合材料質(zhì)量燒蝕率的數(shù)學(xué)模型，其中涉及到3個(gè)參數(shù)，分別為熱流、焓值和壓力。通過(guò)計(jì)算出相關(guān)參數(shù)后，然后獲取到數(shù)學(xué)模型，然后再對(duì)其進(jìn)行一系列檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明3個(gè)回歸系數(shù)都非常顯著;質(zhì)量燒蝕率和熱流具有非常高的相關(guān)度，然后就是焓值和壓力;3個(gè)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型與2個(gè)參數(shù)模型和1個(gè)參數(shù)模型相比具有更好的擬合效果。總之文章所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型能夠較好的反映出碳/石英防熱復(fù)合材料的質(zhì)量燒蝕率和其燒蝕性能。