EPDM絕熱材料炭化層的三維孔隙結構特征①

孫翔宇，張 煒，楊宏林，陳 思，王 德，高金鳳

(1.國防科技大學航天與材料工程學院，長沙 410073;2.中國航天科工集團六院，呼和浩特 010010)

0 引言

EPDM絕熱材料是固體火箭發動機燃燒室常用的一類炭化燒蝕型熱防護材料，在燃燒室高溫燒蝕環境下形成炭化層、熱解層和基體層3層結構［1］。炭化層直接承受高溫、高速氣流的燒蝕和沖刷作用，對保證絕熱材料耐燒蝕性能和保護發動機殼體起關鍵作用。顯然，炭化層的組成、微觀結構和性能決定了絕熱材料的耐燒蝕性能，炭化層的微觀結構也是絕熱材料燒蝕機理研究的重點，是絕熱材料耐燒蝕性能數值計算模型的重要依據。國內外研究者已證實炭化層是一種多孔材料［2－4］，這種多孔結構在保持一定強度的同時大幅降低了熱導率，是影響絕熱材料耐燒蝕性能的重要影響因素之一。但目前對炭化層孔隙結構、尤其是沿燒蝕方向上炭化層的孔隙分布規律少有文獻報道。在前期研究中發現，沿燒蝕方向上絕熱材料炭化層并不是均勻的，而是一種梯度變化的孔隙結構［5］。因此，建立三維孔隙分析方法，全面了解炭化層的微觀孔隙結構特征，獲得其燒蝕方向上的孔隙分布數據，不僅為炭化層微觀結構研究提供了定量測試方法，而且對絕熱材料燒蝕機理和燒蝕模型的建立提供了有力支撐。

目前，常用的顯微鏡或掃描電鏡方法僅能得到炭化層表面或剖面的二維圖片，獲得的信息只能反映炭化層表面或剖面的局部孔隙結構。絕熱材料炭化層的疏松結構，在制備樣品時，容易發生炭化層坍塌現象，導致炭化層微觀結構的破壞，因此最好的炭化層微觀結果測試方法顯然是無損檢測法。直接重建三維結構模型的方法主要有連續切面法、激光掃描共焦顯微成像等。這些技術的共同點是用物理的方法或光學的方法，將樣品切成序列二維切片，再由這些二維切片自上而下地依次結合起來，構成三維模型。這種方法的優點是能真實地重建樣本在三維空間的結構。其缺點是用物理方法制作序列切片非常費時，且易對樣本造成破壞，且多層(局部)拍照時往往存在定位不準的問題，且光學方法進行結構分析只適用于透光的物質，對不透光的物質卻無能為力。近年來，X射線層析攝像技術憑借其可很好地表征多孔體顯微構造的優點，已成為無損獲取多孔材料內部結構圖像的有力工具，并被成功用于一些多孔結構的研究［6－11］。但X射線層析攝像技術在表征炭化層結構中的應用卻未見報道。

本文采用分辨率可達到1 μm的微米CT，按照X射線成像原理對炭化層進行無損掃描。利用相關軟件對獲得的數百張圖片進行三維重建，并結合孔隙率分析軟件，得到了燒蝕方向上炭化層的孔隙變化規律。

1 炭化層三維孔隙結構的微米CT測試方法及三維重構方法

1.1 EPDM絕熱材料炭化層試樣

用于絕熱材料炭化層微觀結構分析的試樣取自橫向過載35 gn、軸向0過載的燒蝕試驗發動機試車后前封頭產生的EPDM炭化層。

取一小塊在過載燒蝕試驗發動機試車后結構較為完整的絕熱材料炭化層，吹去浮沫后備用。

1.2 微米CT的基本工作原理

微米CT成像原理圖如圖1所示。

圖1 微米CT成像原理圖Fig.1 Schematic diagram of micro-CT

微米CT技術是以微焦點X射線對內部不均勻的樣品進行掃描。由于X射線在不同物質中的穿透能力不同，通過接受器測定透過某一層面的X射線量，可得到相應的X射線線性衰減系數值，并重建成立方陣列，最終在顯示器上顯示出該層面灰度圖像。

本研究采用MicroXCT，分辨率1 μm。

1.3 微米CT法獲得炭化層三維圖像的基本步驟

EPDM絕熱材料炭化層的結構疏松、脆性較大，很難制得規整樣品，更無法用切片法制備結構完整的用于光學觀察和測量的薄試樣。采用微米CT的無損掃描，可在不破壞炭化層整體結構的前提下獲得其內部結構信息。

首先，用微米CT在燒蝕方向上等間距拍攝炭化層試樣的X光圖像;然后，拍攝炭化層試樣不同角度的X光投影圖像。

采用三維圖像處理軟件對掃描的圖片進行三維重建，即通過配置的計算機算法程序對物體不同角度的X光投影信息進行重構，解決普通二維X光投影的信息重疊問題，形成三維立體圖像。所形成的三維立體圖像可任意旋轉觀察，并可做任意位置和任意方向的虛擬斷層展示。

圖2是過載燒蝕試驗發動機試車后的EPDM絕熱材料炭化層試樣，經過微米CT無損掃描后進行三維重建的圖片，箭頭方向為燒蝕方向。從圖2可看出炭化層內部的孔隙結構。三維重建的圖片利用軟件進行任意方向剪裁，可獲得某一方向上剪裁的平面圖片，如圖3所示。三維重建的圖片利用軟件進行任意方向剪裁，可獲得某一方向上剪裁的平面圖片(圖3)。

圖2 三維重建的炭化層微米CT圖片Fig.2 Three-dimensional reconstructed micro-CT photograph of charring layer

圖3 任意方向剪裁的圖片Fig.3 Photograph cutted in random direction

2 EPDM絕熱材料炭化層的孔隙結構特征

通過二維圖像分析軟件，可得到炭化層內部某一個剖面孔隙的走向、孔隙尺寸分布、致密層和疏松層的分布狀態等相關信息。分析結果見表1。

表1 炭化層燒蝕方向上截取的分層圖像統計分析數據Table 1 Statistical analysis data of layered images cutted in ablation direction of charring layer

運用二維圖像分析軟件，對燒蝕方向上EPDM絕熱材料炭化層的孔隙結構進行統計分析。表1是對燒蝕方向上依次截取的圖片進行二維孔隙統計分析的結果，從表層向下均勻分為12層(包括上下表面)，層間距約 0.15 mm。

圖4是各層平均孔徑和孔隙率的變化曲線。從這些圖像和曲線可看出，沿燒蝕方向上炭化層的平均孔徑和孔隙率逐漸增大。其中，A1～A5層的孔隙率相對較小，可歸為致密層;A6～A12層孔隙率較大，可歸為疏松層。

運用二維圖像分析軟件，利用微米CT三維重建的炭化層微觀結構，也可簡單獲得炭化層試樣的縱向剖面，如圖5所示。從圖5可見，炭化層明顯分為致密、疏松2層結構，這與橫向分層圖片和表1的結果相吻合。利用二維圖像分析軟件對各層進行統計分析，得到致密層平均孔徑為2.08 μm，孔隙率為59.6%;疏松層平均孔徑為4.58μm，孔隙率為83.2%。

圖4 三維重建炭化層的各層統計數據與分層序號關系Fig.4 Statistical analysis data of charring layers vs serial numbers of layers

圖5 炭化層剖面的微米CT掃描圖片Fig.5 Section view of charring layer scanned by micro-CT

炭化層致密-疏松結構形成可能存在原因:

(1)疏松層:EPDM絕熱材料的主要成分是EPDM橡膠基體，該橡膠的熱解殘余率接近0%，即完全分解，并產生大量小分子氣體。一方面，絕熱材料配方特點決定了絕熱材料熱解殘余物所占體積分數較小;另一方面，熱解小分子氣體的產生使絕熱材料內部壓力增大，發生體積膨脹。在這兩方面因素作用下，靠近基體的炭化層呈現疏松多孔的結構，孔隙率大于80%。

(2)致密層:發動機燃氣壓強可達5～6 MPa、溫度高于3 000 K。一方面，接近燃氣的炭化層承受高壓燃氣的壓力，導致體積壓縮;另一方面，熱力計算表明，在炭化層內流動的熱解氣體高溫下會發生二次裂解，傾向于生成高溫下更加穩定的碳元素，并沉積下來，使炭化層的致密程度進一步增大。

3 結論

(1)利用微米CT及其相關軟件，建立了炭化層三維孔隙結構的表征及分析方法，首次獲得了EPDM絕熱材料炭化層沿燒蝕方向上呈梯度變化的內部孔隙結構，獲得了燒蝕方向上任意截面的孔隙數據及其變化規律，為絕熱材料燒蝕機理研究和燒蝕模型的建立提供了重要依據。

(2)過載燒蝕試驗發動機燒蝕的EPDM絕熱材料炭化層，從表層向下呈現致密-疏松結構，EPDM絕熱材料炭化層的平均孔徑和孔隙率都逐步增大。基于微米CT的多孔材料三維孔隙分析方法具有很好的通用性，可在其它多孔材料研究中推廣應用。

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