C鳞片-SiC-B4C复合材料板烧蚀数值模拟.pdf
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_05.gif)
《C鳞片-SiC-B4C复合材料板烧蚀数值模拟.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《C鳞片-SiC-B4C复合材料板烧蚀数值模拟.pdf(4页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、收稿日期:2005211214基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2003AA305620)作者简介:喻 亮(1976-),男,四川泸州人,东北大学博士研究生;茹红强(1962-),男,山西阳城人,东北大学教授,博士生导师;薛向欣(1954-),男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师;左 良(1963-),男,安徽桐城人,东北大学教授,博士生导师第27卷第11期2006年11月东 北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Northeastern University(Natural Science)Vol127,No.11Nov.2 0 0 6文章编号:1005230
2、26(2006)1121240204C鳞片-SiC-B4C复合材料板烧蚀数值模拟喻 亮,茹红强,薛向欣,左 良(东北大学 材料与冶金学院,辽宁 沈阳 110004)摘 要:应用有限元法研究了在气动加热条件下不同含量和不同有序化程度C鳞片的C鳞片-SiC-B4C复合材料板的烧蚀行为结果表明:环境介质温度、材料组分、相对密度以及不同有序化程度C鳞片对板状复合材料的瞬态温度场分布均有明显影响;C鳞片质量分数65%,基体中SiC和B4C的质量比约为51,且C鳞片基本结构单元为有序排列时C鳞片生长连续并形成面积较大的碳层面,平行层状堆积成拱形结构时复合材料具有较强的抗氧化性,与实验结果一致关 键 词:C
3、鳞片-SiC-B4C;复合材料;有限元;有序排列;抗氧化性中图分类号:TB 33 文献标识码:A在航空航天领域所使用的热防护材料在工作时通过烧蚀引起自身的质量损失,吸收并带走大量的热量,阻止热量的传递,起到保护内部结构在一定温度范围内正常工作的作用14在防热材料中,碳陶复合材料综合了碳素材料和陶瓷材料的优良性能,其成本低、密度小、性能优良,在航空航天等超高温工作环境中的应用日益广泛鳞片石墨(C鳞片)的外观呈鳞片或叶片状,晶体发育完整,挥发分低,是一种有金属光泽,质软,具有良好的耐高温、导电导热、润滑、可塑及化学稳定性等性能的物质将C鳞片引入碳陶复合材料可望进一步提高该材料的抗氧化性根据热防护材
4、料的热化学烧蚀机理建立合理的数值模型来分析烧蚀引起材料微观结构随温度的变化规律非常重要笔者曾利用有限元法对C纤维-SiC-B4C以及C颗粒-SiC-B4C复合材料板烧蚀行为以及氧化过程进行了数值模拟5本文在此基础上,对C鳞片不同有序化程度的C鳞片-SiC-B4C系碳陶复合材料气动烧蚀进行了数值模拟,计算结果为设计具有更好抗氧化性的碳陶复合材料提供了理论依据1 分析方法1.1C鳞片-SiC-B4C复合材料板烧蚀模型通常烧蚀复合材料是一个由固液气相组成的多相介质,各相介质间存在强烈的力学、化学作用C鳞片-SiC-B4C复合材料中的固相由C鳞片和基体构成在高温下材料会发生复杂的物理化学反应,生成新的
5、固相和气相,气相生成后填充在材料的孔隙中反应一般是吸热的,消耗从外界传来的大量热量,避免内部温度的急剧升高6C鳞片-SiC-B4C复合材料,在有氧烧蚀条件下会生成新相,并且伴随材料质量的变化当外界温度为2 300 K时,C鳞片几乎全部被氧化成气体,SiC氧化为SiO2,同时B4C氧化产物B2O3填补于表面孔隙中参与形成自愈合抗氧化保护膜实验室制备C鳞片-SiC-B4C复合材料的SEM照片如图1,根据C鳞片-SiC-B4C的结构特征,考虑到模型应最接近真实物体,使用Solidwork建立了如图2a的低有序化C鳞片和图2b的高有序化C鳞片的C鳞片-SiC-B4C复合材料板模型图1C鳞片-SiC-B
6、4C复合材料的SEMFig.1SEM image of Cflake-SiC-B4C composite为了方便处理问题又与实际相符,建立模型时作了以下的简化假设:(1)板长为01025 mm,宽为01025 mm,厚度为01012 mm,C鳞片-SiC-B4C复合材料中C鳞片抽象为圆盘、椭圆盘、方块3种形状其中圆盘直径10m,厚度2m;椭圆盘长径8m,短径2m,厚度1m;方块边长8m,厚度018m,且C鳞片在复合材料中按实际材料出现几率和空间形态分布SiC和B4C组成的基体在复合材料中处理为均质连续分布基体,C鳞片和基体之间没有杂质C鳞片质量分数分别为30%,45%,65%和80%,基体中S
7、iC和B4C的质量比约为51(2)固体态(C鳞片和基体)与热解气体和液相膜间存在热平衡(3)热解气体为理想气体,且气体在内部孔隙中的流动服从达西定律(DarcyLaw),气体不发生化学变化(4)当材料节点处温度超过材料熔点时,该节点认为已经因烧蚀而消失利用查看节点温度的方法得出烧蚀深度图2C鳞片-SiC-B4C复合材料板模型Fig.2Model of Cflake-SiC-B4C composites plate(a)C鳞片低有序化模型;(b)C鳞片高有序化模型图3C鳞片低有序化C鳞片-SiC-B4C复合材料板的温度分布(相对密度99%,w(C鳞片)=65%)Fig.3Temperature
8、distribution of Cflake-SiC-B4C composite with low degree of orderliness of Cflake(relative density 99%,w(Cflake)=65%)(a)复合材料温度分布;(b)基体温度矢量;(c)C鳞片温度矢量1.2 基本方程和边界条件在计算中采用控制体68(control volume)的概念来描述材料烧蚀过程中的化学-物理变化计算的物理模型由二种相组成,碳相为C鳞片,陶瓷相为SiC/B4C当控制体内的温度达到一定值时,基体发生热解反应,生成热解气体和B2O3SiO2热解气体组分随基体的不同而变化,控制体
9、各组分的体积转化关系为f+b+p+g=1(1)控制体的各组分质量守恒方程对于任何一个组分有如下的形式?ms=sv n-Dsfs n(2)本文采用分层模型计算9,在碳层有多孔固体残余及热解气体,热解气体流过C鳞片层,C鳞片经历热传导及与流动气体间的热交换因此对C鳞片,给出其能量守恒方程,热解气体要求满足能量、质量和动量守恒在原材料层,仅有热传导机制,给出热传导方程1.3 材料的性能参数以C鳞片和SiC,B4C组成的复合材料板为算例,C鳞片和基体的物理特性见表1表1C鳞片和SiC-B4C材料性能Table 1Thermal properties of Cflakeand SiC-B4C材料密度/(
10、gcm-3)热导率/(W(mK)-1)热膨胀系数/K-1比热容/(Jkg-1K-1)C鳞片1.85平行层面2.2106平行层面2710-6714垂直层面0.8106垂直层面-11310-6SiC3121411910741710-623175B4C2.518.371064.510-644.822 计算结果和讨论烧蚀试验中当环境和烧蚀材料表面因烧蚀带走的热量,在对流、辐射等条件下达到热平衡时烧蚀面的温度为2 300 K,因此将板的上表面温度加载温度Ttop=2 300 K,模型上表面热流qc=1.5105W/m2,板下表面温度Tbottom=700 K,上表面加载0.2 MPa氧分压驻点焓Hs=2
11、.5107J/kg,加热时间为300 s;上下表面之间为热传导,周边绝热,其内部无内热源,经迭代得到温度、温度矢量和热流矢量,选用非线性快速求解器利用COSMOS来划分网格并计算温度场1421第11期 喻 亮等:C鳞片-SiC-B4C复合材料板烧蚀数值模拟2.1C鳞片低有序化的C鳞片-SiC-B4C复合材料将C鳞片占复合材料质量分别为30%,45%,65%和80%的低有序化模型在前文所述条件下进行烧蚀模拟结果表明低有序化的不同C鳞片含量复合材料(相对密度为99%)的烧蚀深度随时间的变化规律为线性关系当C鳞片占复合材料质量为65%时烧蚀深为0.18m较之C鳞片(80%)烧蚀深度0.185m,C鳞
12、片(45%)烧蚀深度0.2m,C鳞片(30%)烧蚀深度0.24m为最小C鳞片低有序化C鳞片-SiC-B4C复合材料板的温度、温度矢量的C鳞片温度分布(相对密度99%,w(C鳞片)=65%)结果如图3可以看出烧蚀面平均温度为2 300 K,从图3a看温度以5个等温平行带在复合材料体内分布,表现出烧蚀材料的特点复合材料板最低温度为700 K图3b为基体的温度矢量计算结果,可以看出温度矢量基本与烧蚀面平行,在靠近C鳞片处温度升高,约比与之接触的基体温度高出大约3050K,温度矢量方向由C鳞片指向C鳞片和基体晶界图3c为C鳞片温度矢量,可以看出热流从C鳞片流向C鳞片和基体晶界,造成晶界处的烧蚀,在微裂
13、纹处存在热应力集中可以认为烧蚀氧化过程是优先氧化C鳞片-基体或者基体-基体界面,然后沿着界面间裂纹进行的严重时可导致C鳞片成块脱落,从而造成烧蚀表面不平整,出现高低不平的烧蚀坑图4为C鳞片-SiC-B4C复合材料1 000 氧化6h后氧化膜缺陷的SEM照片,可以看到C鳞片形状影响着氧化通道的形成,从而影响复合材料的烧蚀深度图4C鳞片-SiC-B4C复合材料氧化膜缺陷SEM(1 000,6 h)Fig.4SEM image of defective oxide film on Cflake-SiC-B4C composite(1 000,6 h)实验表明,当SiC和B4C质量比为51时具有较强自
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 鳞片 SiC B4C 复合材料 板烧蚀 数值 模拟
![提示](https://www.taowenge.com/images/bang_tan.gif)
限制150内