多向編織炭/炭復合材料燒蝕/侵蝕特性研究①

許承海，孟松鶴，白光輝，韋利明，齊 菲，胡江華

(哈爾濱工業大學特種環境復合材料技術國防科技重點實驗室，哈爾濱 150080)

0 引言

固體火箭發動機噴管屬于非冷卻型構件，工作環境極其惡劣，特別是喉襯的高溫、高壓兩相流燃氣的機械沖刷、化學侵蝕和熱沖擊十分嚴重。由于炭/炭復合材料具有高比強度、高比模量、耐燒蝕性好、抗熱沖擊性能高等優點，已廣泛用于固體火箭發動機的喉襯［1－2］。

固體火箭發動機工作過程中，炭/炭復合材料喉襯既要承受燃氣加熱產生的超高溫，還要承受高速粒子流的撞擊。高速粒子流的侵蝕作用，將使炭/炭復合材料的燒蝕后退量顯著增加，宏/細觀結構發生演變。研究表明，喉襯的燒蝕/侵蝕是一個受諸多因素及其交互影響的復雜過程，與構件氣動設計［3］、流場環境［4－5］、材料本身結構［6－8］等均有很大關系。鑒于此，研究人員在對炭/炭復合材料的燒蝕行為研究中，更加重視了燒蝕環境的模擬和燒蝕機理的更深入認識，并取得了顯著成果［9－19］，但對粒子侵蝕特性研究少有報道。因此，結合多向編織炭/炭復合材料自身的結構特點，研究其燒蝕/侵蝕特性，對提高火箭發動機工作效率、發動機工作穩定性等均具有重要的理論與實際價值。目前，可進行防熱復合材料燒蝕/侵蝕耦合特性研究的試驗方法有多種:(1)固體火箭發動機燒蝕/侵蝕試驗;(2)電弧加熱器加粒子燒蝕/侵蝕試驗;(3)固定靶材，由二級氫氣炮發射液體粒子或固體粒子的單粒子碰撞侵蝕試驗;(4)固定雨屏，由二級氫氣炮發射模型的彈道靶侵蝕試驗等。從試驗條件、信息獲取及試驗經費等方面考慮，大量選用的一般為前2種試驗方法，即燒蝕試驗發動機和電弧加熱器加粒子燒蝕/侵蝕試驗。

本文應用以交流等離子體電弧加熱器為核心的地面模擬試驗系統，采用駐點燒蝕的方式，對三維多向炭/炭復合材料燒蝕/侵蝕特性進行了考核，對燒蝕/侵蝕后的炭/炭復合材料試樣進行體式顯微鏡、掃描電鏡觀察，分析了三維多向編織炭/炭復合材料的燒蝕/侵蝕演化規律。

1 試驗

采用軟硬混編法，將Toray T300型3K炭纖維編織成喉襯預成型體結構，通過化學氣相沉積(CVD)和瀝青浸漬/炭化混合增密工藝，向纖維預成型體中引入基體炭，經最終石墨化處理后，獲得密度大于1.90 g/cm3的多向編織炭/炭復合材料。

燒蝕試驗試樣尺寸φ22 mm×30 mm。離子體火炬駐點燒蝕試樣表面，燒蝕考核條件:工作介質為空氣，出口氣流馬赫數 1.864，駐點壓力 0.93 MPa，焓值5.982MJ/kg，熱流密度10MW/m2，燒蝕時間20～25s。粒子侵蝕考核條件:粒子成分Al2O3，粒子直徑150 μm，粒子 Ma≥1.49，粒子密度 14.2 g/m3。

電弧加熱器加粒子燒蝕/侵蝕試驗，由于粒子是在電弧噴管后加入，粒子的溫度略低于氣流溫度，更低于固體火箭發動機燃燒產生的氧化鋁液滴的溫度。因此，試驗時加入的粒子與發動機燃燒產生的氧化鋁粒子的物理狀態存在不一致性，試驗加入的粒子較難于完全溶化、存在少量未熔粒子，相對硬度大;而發動機燃燒產生液滴溫度高、硬度較低，所以該試驗條件下，粒子侵蝕要比實際發動機燃氣流中的氧化鋁粒子的侵蝕略顯苛刻。

高精度CCD相機對燒蝕過程中試件燒蝕表面進行實時觀測，紅外光學高溫計測試試樣燒蝕表面溫度，測溫范圍900～3 000℃，W-Re熱電偶測試試樣燒蝕背壁溫度，測溫上限2 300℃。OLYMPS SZX12顯微鏡，FEI-QUANTA200掃描電鏡觀測炭/炭復合材料試樣燒蝕前后的微觀結構。

2 試驗結果與討論

2.1 炭/炭復合材料燒蝕/侵蝕表面溫度

研究中設計了2類試驗，對比考核多向編織炭/炭復合材料的燒蝕/侵蝕特性，即未加粒子的燒蝕試驗和加粒子的燒蝕/侵蝕耦合試驗。觀測炭/炭試件燒蝕/侵蝕表面溫度隨燒蝕時間的變化關系(如圖1所示)。從圖1可見，未加粒子和加粒子的試樣表面溫度具有相似的升溫歷程，大體上表現為3個階段，在試驗初期試驗表面溫度迅速升高，隨后待溫度超過2 000℃后，升溫速率變得較為平緩，最后隨燒蝕試驗過程的持續達到基本平衡溫度，出現“穩定燒蝕”現象。對比表明，燒蝕/侵蝕耦合作用下試樣表面的升溫速率、平衡溫度均高于非侵蝕環境，平衡溫差在100～200℃范圍。在電弧加熱器流場環境中，Al2O3粒子大部分以液態形式存在，液態粒子對試樣表面加熱作用可歸納為以下2個方面:(1)粒子撞擊試樣表面動能轉變為熱能，增加表面熱流;(2)高速粒子撞擊材料表面增加試樣表面粗糙度、撞擊粒子與侵蝕碎片和流場間相互作用，引起邊界層無規則分離，流場的湍流度增加，增加表面熱流。

圖1 試樣燒蝕表面溫度隨時間的變化關系Fig.1 Temperature dependence of the time for the sample surface

在圖1中還發現，材料燒蝕表面溫度的測量數據出現一定幅度的波動。分析其原因，主要是由于在試驗過程中，材料燒蝕表面發生了較為嚴重的剝蝕現象，從材料表面剝落的高溫顆粒對非接觸式測溫設備存在一定干擾。

2.2 炭/炭復合材料燒蝕/侵蝕形貌

采用CVD和瀝青浸漬炭化工藝相結合制備的炭/炭復合材料，就其炭的形成工藝來說，有炭纖維、CVD炭殼和瀝青炭3層結構并形成相互界面。CVD炭殼較為光滑致密，較少存在間隙、氣孔等缺陷。瀝青炭結構為層片狀，層片較為疏松，有很多間隙。瀝青炭與CVD炭間的密度相差較大，在隨后的材料石墨化過程中，熱膨脹失配，界面處產生很大的熱應力，引起界面開裂。試件燒蝕/侵蝕前表面形貌如圖2所示。從圖2可看出，增強纖維束截面尺寸較大，纖維束直徑1.2～1.5 mm;纖維束與基體界面間存在明顯的界面脫粘，尺寸在20～50 μm范圍;基體中存在大量隨機分布的孔洞，孔徑均值約85 μm;纖維束內纖維單絲近似為圓型，呈隨機分布，單絲間基體炭沉積不夠密實。

圖2 試樣燒蝕前表面顯微形貌Fig.2 Morphology photos prior to experiments

多向編織炭/炭復合材料燒蝕后表面顯微形貌如圖3所示。從圖3可發現，由于試件邊緣缺陷的存在，試樣邊緣和中心部位的燒蝕量存在一定的差異，燒蝕后的材料燒蝕表面基本上已很難發現基體，僅剩下凸起的纖維束骨架結構，纖維束與周邊基體之間出現了明顯的脫離現象。燒蝕過程中垂直于燒蝕表面的纖維束內部基體燒蝕較嚴重，部分纖維失去周圍基體支持呈竹筍狀分布。平行于燒蝕表面的纖維束內部基體燒蝕也較嚴重，纖維束斷口處纖維大部分被燒成針狀。試樣燒蝕表面溫度約為2 800℃，沒有達到C的升華溫度，可判定炭/炭復合材料的燒蝕，主要是由來流中的O原子與C原子發生氧化反應的熱化學燒蝕和高速氣流沖刷引起的機械剝蝕。纖維束與基體間的界面區域存在大量的裂紋及界面脫層等缺陷，通透的裂紋及界面脫層有利于氣流中的O原子向材料內部擴散，故在該區域的熱化學燒蝕相較于纖維束和基體的燒蝕量更大。界面燒蝕破壞了纖維束與基體間的聯系，使得纖維束與基體同時失去了支持，形成燒蝕表面脫層。纖維束內基體炭與炭纖維的抗燒蝕性能相差較大，炭纖維的抗熱化學燒蝕性能、抗機械剝蝕性能明顯高于基體炭。

圖3 試件燒蝕表面顯微形貌Fig.3 Ablation micro-morphology of the sample surface

多向編織炭/炭復合材料燒蝕/侵蝕耦合試驗后表面顯微形貌如圖4所示。對比分析圖3與圖4可知，燒蝕/侵蝕耦合作用下多向編織炭/炭復合材料具有與非耦合燒蝕類似的細觀形貌，纖維束表面較鈍，纖維束/基體界面位置燒蝕最為嚴重，燒蝕表面粗糙度增大。在微觀尺度上，燒蝕表面有少量Al2O3粒子沉積，纖維斷裂較平齊，沒有出現非耦合燒蝕下的針狀纖維結構。在熱化學燒蝕和粒子撞擊耦合作用下，纖維與基體發生破碎并剝離。其中，基體炭的損失因為內部裂紋、界面裂紋和孔洞而加劇，垂直燒蝕表面的纖維裸露出表面，并因粒子撞擊所施加的彎曲動量而折斷。

圖4 試樣燒蝕/侵蝕表面顯微形貌Fig.4 Ablation/erosion micro-morphology of the sample surface

2.3 炭/炭復合材料燒蝕/侵蝕線燒蝕速率

復合材料燒蝕率一般有質量燒蝕率和線燒蝕率之分，文中由于燒蝕時間較短(t≤25 s)，材料的質量燒蝕率較小，且流場中加入Al2O3粒子，燒蝕試驗后將有一部分粒子附著在材料燒蝕表面，對材料質量燒蝕率的測量存在較大的影響。鑒于此，采用材料的線燒蝕率來評價材料的燒蝕性能，圖5所示為未加粒子與加粒子的多向編織炭/炭復合材料平均線燒蝕率。

圖5 多向編織炭/炭復合材料線燒蝕率Fig.5 Linear ablation/erosion rate of 5D C/C

未加Al2O3粒子的炭/炭復合材料燒蝕是熱化學燒蝕和機械剝蝕的綜合作用。材料燒蝕表面溫度約2 800℃，在熱化學燒蝕過程中，主要表現為擴散機制控制的熱化學燒蝕。從圖2中可發現，在構件邊緣區域受機械加工損傷影響(如箭頭所示)，機械剝蝕起主要作用;在材料中心區域熱化學燒蝕和機械剝蝕相互耦合，沒有明確的分界，平均線燒蝕率達0.125 mm/s。加Al2O3粒子的炭/炭復合材料燒蝕是熱化學燒蝕、機械剝蝕和粒子侵蝕的耦合作用。高速粒子撞擊材料表面時，將能量和動量傳遞給試樣表面，在試樣表面形成沖擊載荷，引起材料的破壞和移失，并在材料表面形成不規則的缺陷。連續的高速粒子撞擊試樣表面，除產生直接的材料質量損失外，間接損傷同時也使材料表面變得“松軟”，一方面加速了材料表面的機械剝蝕，另一方面為氧氣和熱量從材料表面向內部擴散提供了通道，亦加速了材料的熱化學燒蝕。在燒蝕/侵蝕耦合作用下炭/炭復合材料的線燒蝕速率達到了0.144 mm/s，增幅約 15%。

3 結論

(1)燒蝕/侵蝕耦合作用下，多向編織炭/炭復合材料燒蝕表面的升溫速率、燒蝕平衡溫度均有不同程度的增加，其中燒蝕平衡溫度增幅約為100～200℃。

(2)多向編織炭/炭復合材料內部微結構特性引起纖維、基體及界面間的燒蝕不均勻，界面燒蝕速率最快，基體次之，纖維燒蝕最慢;界面燒蝕破壞了纖維束與基體間的聯系，使得纖維束與基體同時失去了支持，形成燒蝕表面脫層。

(3)燒蝕表面存在少量的Al2O3粒子沉積，垂直燒蝕表面的纖維裸露出表面，因粒子撞擊所施加的彎曲動量而折斷，不會形成熱化學燒蝕下的針狀纖維結構，纖維斷裂較平齊。

(4)粒子侵蝕作用不僅產生直接的材料質量損失，間接損傷使材料表面變得“松軟”，促進了材料的熱化學燒蝕和機械剝蝕，線燒蝕率顯著增大，增幅約為15%。

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