C_C复合材料烧蚀性能分析_黄海明.pdf

复合材料学报第18卷第3期8月2001年

ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICAVol.18No.3August2001

文章编号:1000-3851(2001)03-0076-05

C/C复合材料烧蚀性能分析
黄海明,杜善义,吴林志,王建新
(哈尔滨工业大学复合材料研究所,哈尔滨150001)
摘要:阐述了C/C复合材料性能的优越性及烧蚀机理,并建立了剥蚀机理的物理模型;讨论了环境影响和表面
粗糙度的生死循环,并且分析了C/C的机械剥蚀和热化学烧蚀,得到了一些启示。这为热防护领域做了些有益的探
讨。
关键词:C/C复合材料;烧蚀机理;物理模型
中图分类号:V435.14文献标识码:A

ANALYSISOFTHEABLATIONOFC/CCOMPOSITES
HUANGHai-ming,DUShan-yi,WULin-zhi,WANGJian-xin
(CenterforCompositeMaterials,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)
Abstract:TheadvantageandtheablationmechanismofC/Ccompositesaredemonstrated.Aphys-
icalmodelofmechanical-ablationisestablishedmainlyintermsofboththethermoelasticitymechanics
andfracturemechanics.Then,theinfluenceofenvironmentandtheappearanceanddisappearanceof
surfaceroughnessarediscussed.Themechanicalablationandthermo-chemicalablationofC/Ccom-
positesareanalyzed.Allthesemakesomehelpfuldiscussionforthermalprotectionmaterials.
Keywords:C/Ccomposites;ablationmechanism;physicalmodel

C/C复合材料由三种不同组分构成,即树脂碳、1烧蚀机理
碳纤维和热解碳。通常超过2200℃的热处理温度C/C复合材料的烧蚀过程与很多因素有关,而
时,开始发生三维层平面的排列,这种转化,即石墨且各种因素也并非是孤立的,相互之间存在复杂的
化过程,伴随着层间间距的减小,表观微晶尺寸的增影响。烧蚀大体上可分为热化学烧蚀和机械剥蚀两
加。石墨化度的高低,表明了碳结构离理想石墨结构部分,前者指碳的表面在高温气流环境下发生的氧
的远近程度。在C/C复合材料的制备工艺中,石墨化和升华,后者指气流压力和剪切力作用下因基体
化度的高低决定着材料的力学性能和热物理性能,和纤维的密度不同,造成烧蚀差异而引起的颗粒状
石墨化度的升高,C/C复合材料的力学性能值降低,剥落或因热应力破坏引起的片状剥落。
韧性改善,热物理性能提高;适当地控制石墨化度,(1)碳的热化学烧蚀机理
可以对材料性能进行调制,获得能满足不同需求的在较低温度下,碳首先氧化,氧化过程开始是速
C/C复合材料。它克服了一般炭-石墨材料强度低的率控制,氧化率由表面反应动力学条件决定。随着温
缺点,保持了石墨的耐高温性能,又具有高的比强度升高,氧化急剧增加,氧气供应逐渐不足,以致使
度、比刚度和低的烧蚀率,成为一种良好的抗烧蚀材氧气向表面的扩散过程起控制作用。在更高温度下,
料和耐高温结构材料。正是由于其高强度、低密度、碳氮反应以及碳升华反应逐渐显著,升华过程也是
高温稳定性及良好的抗热振性,使得这种材料被广由速率控制过渡到扩散控制。

泛用于固体火箭发动机喷管、喉衬,火箭重返大气层一般情况下,当温度大于1000K时,CO2的浓
系统的防护罩以及导弹的端头帽。度很小,碳的氧化生成物几乎全是CO气体[1],表面

收稿日期:2000-09-25;收修改稿日期:2000-11-22
基金项目:国防973重大科研资助项目
作者介绍:黄海明(1969),男,博士生,主要从事极端环境下复合材料性能模拟等方面的研究。
黄海明,等:C/C复合材料烧蚀性能分析·77·

氧化反应式型炭,而基体碳也转化为无定型炭,即超过某一温度
O-+C(s)→CO(1)的区域为无定型碳区,则呈现各向同性和低强度,如
其中:O-为氧分子和氧原子。图2中的阴影所示;剥蚀就是在此区进行,一般是从
在速率控制区,氧化质量烧蚀率裂纹或孔隙等处开始,因为那里存在应力集中。由于
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E-2C/C复合材料内部有孔隙,并且温度梯度非常大,在
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