碳/碳化硅复合材料静止环境下氧化行为模拟

碳/碳化硅(C/SiC)复合材料是应用于临近空间高超声速飞行器热防护的一种新型防热材料.国内外通过性能测试较多地研究了材料不同制备工艺对抗烧蚀性的影响,提出的抗烧蚀分析理论模型均基于液态氧化膜.而近期开展的C/SiC复合材料管式炉加热实验和试样微观形貌电镜表征显示:常压下,当温度低于1696 K时,C/SiC复合材料氧...     

激光对碳纤维增强复合材料的热烧蚀数值模拟

高能激光对复合材料的辐照效应研究,可以拓展激光技术的应用范围。为了预测激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,提出了一个简化计算模型。采用隐式有限体积方法求解控制方程,边界条件包括激光辐照加热、对流换热、辐射换热以及材料表面烧蚀。考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容变化情况。基于该烧蚀模型,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和表面烧蚀速率,计算结果与文献试验数据一致。最后,通过修正烧蚀模型分析了高速气流剥蚀对激光辐照复合材料热效应的影响。     

Ma=6空气流中涂层材料的激光破坏特性及其流动干扰

面向激光的应用新场景,搭建了Ma=6的切向空气流与连续激光辐照协同作用的材料损伤试验平台,开展了有无高超声速气流作用下激光对材料的致伤特性及其对气流流场的干扰等方面研究,给出了静止空气和Ma=6风洞模拟气流环境中涂层材料的破坏特性以及材料损伤产生的干扰流动结构。与静止空气中激光辐照材料烧蚀现象相比,在高超声速空气流作用时,涂层材料受激光辐射产生的破坏特征明显不同,激光功率较小时涂层材料呈现出更大的破坏面积,激光功率较大时涂层材料形成更深的烧蚀坑。受材料烧蚀扰动,流场经过激光辐照产生烧蚀结构时形成了类似于热射流或小突起物的绕流流动结构。这又反向影响材料的烧蚀,导致激光光斑辐照区域的上下游及横侧向产生与静态烧蚀明显不同的特征。这些新特征对于工程应用具有重要指导作用。     

切向气流和激光作用下碳纤维/环氧材料的损伤特性

无气流和切向气流马赫数分别为0.50,0.85条件下,开展了碳纤维/环氧材料激光辐照损伤特性研究实验,对碳纤维、环氧树脂和复合材料热失重曲线、温度历史曲线以及实验后复合材料损伤形进行分析,结果表明:由于切向气流阻止材料燃烧且对材料表面起冷却作用,无气流条件下材料的热损伤区域远大于激光辐照区域,与切向气流条件相比,材料后表面温升时间长、温升幅值高;在切向气流环境下,由于气流作用使得材料的损伤包括烧蚀损伤和断裂损伤;从损伤形貌和后表面温度历史、温升速率比较来看,在切向气流马赫数为0.50~0.85的速度范围内,碳纤维/环氧材料在切向气流和连续激光(102 W/cm2量级)联合作用下的损伤差异不明显。     

不同气流环境下氟化氘激光对45~#钢靶的辐照效应

通过表面形貌观察、温度场分析,研究了切向空气气流、切向氮气气流、自然对流3种环境下氟化氘(DF)激光对45#钢靶的辐照效应,结果表明:切向空气气流环境下,钢靶烧蚀效果最显著,靶板后表面中心温升最高;切向氮气气流环境下,钢靶有一定的烧蚀,但温升最低;自然对流环境下,烧蚀效果最差。实验结果表明:切向气流可移除部分熔化物,特别在切向空气气流环境下剧烈的氧化反应可促进钢靶温度升高,显著增强激光对钢靶的烧蚀,停止激光辐照后切向气流的冷却效应起主要作用。根据实际物理问题建立了相应的数值计算模型,模拟了不同气流环境下激光对钢靶的辐照效应,其中,利用"生死单元"的方法,模拟了切向空气气流环境下激光对钢靶的烧蚀,并考虑了氧化放热的影响。模拟结果与实验结果基本相符,解释了气流在激光辐照效应中的作用。     

气动加热对高超声速飞行器激光毁伤效应影响

通过采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳-碳复合材料分别在气动热、激光单独作用以及气动热/激光耦合作用下的热化学烧蚀。计算分析表明:激光单独作用下,碳-碳复合材料的烧蚀速率较小;随激光能量的增加,碳-碳复合材料的烧蚀速率增加;气动加热条件下激光对高超声速飞行器碳-碳复合材料的烧蚀毁伤效应会明显增强;沿弹道的气动加热累积效应对碳-碳复合材料气动热/激光耦合烧蚀作用不明显。     

蒸气压对激光辐照靶材烧蚀速率的影响

研究了强激光辐照碳/碳复合材料靶材引起的烧蚀现象及蒸气压对烧蚀速率的影响。基于傅里叶定律,建立了强激光辐照靶材的热传导模型,模拟了忽略蒸气压影响时烧蚀速率随功率的变化;通过Mott-smith近似方法描述了Knudsen层间断区域,分析了间断两侧表面粒子状态参数;结合质量连续方程和蒸气压与温度关系方程,并由气体状态方程描述蒸气流状态,对蒸气压条件下激光烧蚀碳/碳复合材料靶材的速率随功率变化的关系进行了数值模拟。结果表明,在高能激光对靶材的烧蚀过程中,蒸气压力变化会导致靶材的饱和蒸气温度发生变化,进而影响烧蚀速率且使其随功率呈非线性变化,与忽略蒸气压作用时的线性变化规律相差较大,从理论上解释了忽略蒸气压导致的实验数据与理论结果的差异。     

两种纤维增强复合材料连续激光烧蚀阈值测量及吸收特性分析

 通过双积分球-光电管测试系统和摄像记录的方法,对芳纶纤维/环氧和碳纤维/环氧两种复合材料在1.319 μm连续激光作用下的烧蚀阈值和烧蚀过程中材料对激光能量的吸收特性进行了实验研究。结果表明：芳纶纤维/环氧复合材料的平均烧蚀阈值随材料厚度增加而降低,碳纤维/环氧复合材料的平均烧蚀阈值不受材料厚度影响,约为70 W/cm²;两种纤维增强复合材料烧蚀前的反射率随激光功率增加而缓慢增大,芳纶纤维/环氧材料从0.40变化到0.45,碳纤维/环氧材料从0.15变化到0.20;当发生烧蚀时,芳纶纤维/环氧材料的反射率急剧下降,吸收率增大,碳纤维/环氧材料的反射率无明显变化,吸收率约为0.80。     

切向气流作用下激光对典型金属靶的辐照效应

总结了亚音速切向气流在激光辐照典型金属靶过程中所起的作用,提出气流效应主要包括增大靶与外界环境的对流换热强度;移除靶表面的熔化层,加快烧蚀速率;促进靶的氧化反应,有利于靶的烧蚀;空气动力学效应导致靶在熔化之前就可发生破裂等几个方面。对上述气流效应进行了详尽的分析,同时指出应对氧化反应及热力联合效应进行更广泛的实验研究,获得更明确的规律性认识,以便建立统一的物理数学模型,从而为实际的工程应用提供参考。     

切向气流作用下激光对典型金属靶的辐照效应

总结了亚音速切向气流在激光辐照典型金属靶过程中所起的作用,提出气流效应主要包括增大靶与外界环境的对流换热强度;移除靶表面的熔化层,加快烧蚀速率;促进靶的氧化反应,有利于靶的烧蚀;空气动力学效应导致靶在熔化之前就可发生破裂等几个方面。对上述气流效应进行了详尽的分析,同时指出应对氧化反应及热力联合效应进行更广泛的实验研究,获得更明确的规律性认识,以便建立统一的物理数学模型,从而为实际的工程应用提供参考。     

Comparisons of interface shear stress degradation rate between C/SiC and SiC/SiC ceramic-matrix composites under cyclic fatigue loading at room and elevated temperatures

The interface shear stress in C/SiC and SiC/SiC ceramic-matrix composites with different fiber preforms, i.e. unidirectional, cross-ply, 2D woven, 2.5D woven, and 3D braided, under cyclic fatigue loading at room and elevated temperatures have been estimated. An effective coefficient of the fiber volume fraction along the loading direction was introduced to describe the fiber preforms. Based on fiber slipping mechanisms, the hysteresis loops models considering different interface slip cases have been developed. Using the experimental fatigue hysteresis dissipated energy, the interface shear stress degradation rates of C/SiC and SiC/SiC composites with different fiber preforms at room and elevated temperatures have been obtained and compared. It was found that the interface shear stress degradation rate is the highest for 3D braided SiC/SiC at 1300 °C in air, and the lowest for 2D woven C/SiC at room temperature under cyclic fatigue loading.     

The influence of ablation products on the ablation resistance of C/C-SiC composites and the growth mechanism of SiO2 nanowires

Ablation under oxyacetylene torch with heat flux of 4186.8(10%kW/m2 for 20 s was performed to evaluate the ablation resistance of C/C-SiC composites fabricated by chemical vapor infiltration（CVI） combined with liquid silicon infiltration（LSI） process.The results indicated that C/C-SiC composites present a better ablation resistance than C/C composites without doped SiC.The doped SiC and the ablation products SiO₂ derived from it play key roles in ablation process.Bulk quantities of SiO₂ nanowires with diameter of 80 nm-150 nm and length of tens microns were observed on the surface of specimens after ablation.The growth mechanism of the SiO₂ nanowires was interpreted with a developed vapor-liquid-solid（VLS） driven by the temperature gradient.     

某航天硅基复合材料防静电性能测试研究

高速运动的航空器在其飞行过程中会经历复杂的空间环境,使其静电安全性遭受严峻挑战。针对某型航空隔热瓦硅基复合材料讨论分析了多种防静电性能的评估方法,确定了静电衰减时间作为其防静电性能指标,并采用充电法对静电衰减时间进行了测试研究,获得了该材料在烧蚀前后的静电衰减特性,为评价高速飞行器的静电安全性提供了重要依据。研究结果表明,烧蚀前的硅基复合材料静电衰减时间长,残余电量大;烧蚀后的硅基复合材料静电衰减时间大大减小、残余电量显著降低,防静电性能远好于烧蚀前的硅基复合材料。     

超声速气流下强激光辐照靶体失效数值模拟

建立了能够反映激光、流场和结构相互作用的热流固耦合数值计算方法,用于模拟超声速气流（马赫数1.2~4.0）作用下强激光辐照靶体结构的失效行为。分析了不同耦合策略对数值计算结果的影响。研究了激光功率密度及来流马赫数对屈服失效和熔融失效行为的影响。结果表明:激光功率密度对失效辐照时间影响显著;存在一个临界马赫数,使得达到屈服失效和熔融失效的辐照时间最长。通过定量分析激光辐照下不同马赫数的气动生热、散热及能量分配,解释了临界马赫数存在的机理。     

偏振态对飞秒激光加工石英玻璃表面质量的影响

为研究线偏振和圆偏振对飞秒激光烧蚀加工石英玻璃表面质量的影响,开展不同扫描速度的线烧蚀试验和不同线重叠率的面烧蚀试验。研究了线、圆偏振光对烧蚀线宽度的影响,利用光学显微镜和环境扫描电子显微镜观察烧蚀形貌,并使用三维表面轮廓仪进行烧蚀面粗糙度分析。结果表明:线偏振光烧蚀线宽度大于圆偏振光,且激光功率越大,线宽差异越明显;当线重叠率在65%~90%时,线偏振光烧蚀表面粗糙度随重叠率增大而增大,在重叠率为65%时达到1.33μm;线轮廓算术平均偏差随重叠率增大先减小后增大,并在重叠率为80%时达到较小值1.05μm;当重叠率不到80%时,线偏振光烧蚀面线轮廓算术平均偏差比圆偏振光小;重叠率为90%时,其线轮廓算术平均偏差反而比圆偏振光大。     

Damage monitor and life prediction of carbon fiber-reinforced ceramic-matrix composites at room and elevated temperatures using hysteresis dissipated energy-based damage parameter

In this paper, the damage monitor and life prediction of carbon fiber-reinforced ceramic-matrix composites (C/SiC CMCs) have been investigated using the hysteresis dissipated energy-based damage parameter. The evolution of the interface shear stress, hysteresis dissipated energy, hysteresis dissipated energy-based damage parameter and the broken fibers fraction vs. cycle number, the fatigue life S?N curves of unidirectional, cross-ply and 2.5D C/SiC composites at room temperature and 800 °C in air atmosphere have been analyzed. For unidirectional C/SiC, the hysteresis dissipated energy and hysteresis dissipated energy-based damage parameter first increase and then decrease with cycle number, and the fatigue limit stress decreases from 88% tensile strength at room temperature to 20% of the tensile strength at 800 °C in air atmosphere; for cross-ply C/SiC, the hysteresis dissipated energy and hysteresis dissipated energy-based damage parameter decrease with increasing applied cycles, and the fatigue limit stress decreases from 85% tensile strength at room temperature to 22% tensile strength at 800 °C in air; and for 2.5D C/SiC, the hysteresis dissipated energy and hysteresis dissipated energy-based damage parameter increases with cycle number, and the fatigue limit stress decreases from 70% tensile strength at room temperature to 25% tensile strength at 800 °C in air.     

FD-21风洞Ma=10高超声速推进试验技术探索

针对Mach数8以上（Ma>8）冲压发动机地面试验能力不足问题,基于FD-21高能脉冲风洞,开展了吸气式推进试验技术探索,提升了FD-21风洞的重活塞驱动能力,获得了总压18.66 MPa、总温3 950 K、Ma=9.62、静压436.6 Pa、速度3 km/s的高焓大动压模拟流场,同时发展了高时间分辨率吸收光谱测量技术和基于重模型自由飞原理的发动机推阻测量方法.在此基础上,设计了弯曲激波压缩二元发动机,构建了燃料在线供应与喷注控制、模型悬挂与瞬态释放及相关测量一体的试验系统,在所建立的Ma=9.62风洞模拟环境中进行了集成验证试验,定量测得了有/无氢气射流与空气/氮气超声速气流作用下二元发动机的壁面压力、吸收光谱峰值吸收率、轴向力等数据,并利用纹影观测到了进气道唇口与燃烧室部位的波系特征.多次试验所得的壁面压力、峰值吸收率、轴向力随时间变化曲线均存在2 ms以上的平台,表明二元发动机建立了准定常流动.冷热态及氮气对照组对应的壁面压力分布、峰值吸收率、轴向力等数据呈现出了明显不同,且二者规律近似一致,一方面说明所建立的模拟流场、燃烧诊断技术、发动机推阻测量技术是有效的,另一方面也表明二元发动机实现了点火燃烧、获得有效热功转换,为后续相关研究奠定了良好的基础.