C鳞片-SiC-B4C复合材料板烧蚀数值模拟.pdf

第27卷第11期东北大学学报(自然科学版)Vol127,No.11
2006年11月JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience)Nov.2006

文章编号:100523026(2006)1121240204

C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5∶1,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鳞片-SiC-B4C;复合材料;有限元;有序排列;抗氧化性
中图分类号:TB33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用·C鳞片-SiC-B4C复合材料中的固相由C鳞片
时通过烧蚀引起自身的质量损失,吸收并带走大和基体构成·在高温下材料会发生复杂的物理化
量的热量,阻止热量的传递,起到保护内部结构在学反应,生成新的固相和气相,气相生成后填充在
[1～4]
一定温度范围内正常工作的作用·在防热材材料的孔隙中·反应一般是吸热的,消耗从外界
[6]
料中,碳陶复合材料综合了碳素材料和陶瓷材料传来的大量热量,避免内部温度的急剧升高·

的优良性能,其成本低、密度小、性能优良,在航空C鳞片-SiC-B4C复合材料,在有氧烧蚀条件下会
航天等超高温工作环境中的应用日益广泛·鳞片生成新相,并且伴随材料质量的变化·当外界温
石墨(C鳞片)的外观呈鳞片或叶片状,晶体发育完度为2300K时,C鳞片几乎全部被氧化成气体,SiC

整,挥发分低,是一种有金属光泽,质软,具有良好氧化为SiO2,同时B4C氧化产物B2O3填补于表
的耐高温、导电导热、润滑、可塑及化学稳定性等面孔隙中参与形成自愈合抗氧化保护膜·实验室
性能的物质·将C鳞片引入碳陶复合材料可望进一制备C鳞片-SiC-B4C复合材料的SEM照片如图
步提高该材料的抗氧化性·1,根据C鳞片-SiC-B4C的结构特征,考虑到模型
根据热防护材料的热化学烧蚀机理建立合理应最接近真实物体,使用Solidwork建立了如图

的数值模型来分析烧蚀引起材料微观结构随温度2a的低有序化C鳞片和图2b的高有序化C鳞片的
的变化规律非常重要·笔者曾利用有限元法对C鳞片-SiC-B4C复合材料板模型·

C纤维-SiC-B4C以及C颗粒-SiC-B4C复合材料
[5]
板烧蚀行为以及氧化过程进行了数值模拟·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
·图1C鳞片-SiC-B4C复合材料的SEM

Fig.1SEMimageofCflake-SiC-B4Ccomposite
1分析方法
为了方便处理问题又与实际相符,建立模型
1.1C鳞片-SiC-B4C复合材料板烧蚀模型时作了以下的简化假设:
通常烧蚀复合材料是一个由固液气相组成的(1)板长为01025mm,宽为01025mm,厚度
多相介质各相介质间存在强烈的力学、化学作
,为01012mm,C鳞片-SiC-B4C复合材料中C鳞片

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11期喻亮等:C鳞片-SiC-B4C复合材料板烧蚀数值模拟1241

抽象为圆盘、椭圆盘、方块3种形状·其中圆盘直发生化学变化·
径10μm,厚度2μm;椭圆盘长径8μm,短径2μm,(4)当材料节点处温度超过材料熔点时,该
厚度1μm;方块边长8μm,厚度018μm,且C鳞片节点认为已经因烧蚀而消失·利用查看节点温度
在复合材料中按实际材料出现几率和空间形态分的方法得出烧蚀深度·
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SiC和B4C的质量比约为5∶1·
(2)固体态(C鳞片和基体)与热