氧化鋯纖維高溫隔熱材料傳熱性能研究*

韓 丁 鄭世剛 孫現凱 張世超 方 凱 艾 兵 陶柳實 王春鵬 孫浩然

(1 中國建筑材料科學研究總院有限公司 北京 100024)(2 火箭軍某部軍代室)

隨著航空航天技術的快速發展,熱防護系統和熱防護材料的研究日益成為制約其發展的關鍵技術瓶頸。飛行器用沖壓發動機燃燒室等部件的結構溫度不斷提高,特別是采用陶瓷基復合的發動機燃燒室結構溫度高達2 000℃以上,熱防護系統和熱防護材料是發展和保障高速飛行器動力系統在極端環境下安全服役的基礎。為了滿足動力系統在超高溫工作環境下的生存能力,突破熱防護的“新熱障”問題,高效熱防護材料必須提高抗極端服役環境能力,滿足動力系統熱防護系統的耐溫性、耐久性和可靠性需求。對耐高溫高性能隔熱材料提出更高的要求。其中氧化鋯纖維隔熱材料是發動機超高溫隔熱應用的關鍵材料。

氧化鋯是一種無味無臭的白色晶體。其特點為不溶于水,幾乎不溶于強酸,且不同溫度狀態下有著三種晶體結構,故其有著很好的高溫穩定性和抗熱沖擊性。純氧化鋯具有三種物相晶體結構,分別為單斜相氧化鋯(m-Zr O2)、四方相氧化鋯(t-Zr O2)和立方相氧化鋯(c-Zr O2)。這三種物相結構分別屬于三種不同晶系,并且能夠在特定的條件下進行物相的相互轉化。而氧化鋯最常見的相變是單斜相與四方相氧化鋯之間的轉變,在轉變的過程中往往會伴隨著的3%～5%體積變化和7%～8%的切應變。氧化鋯纖維具有超高溫隔熱要求的高熔點(2 700℃)、耐腐蝕性、抗氧化、低熱導率和穩定的高溫化學穩定性的特點,還具有長徑比和比表面積大、較好的強度和韌性,并且相比于其它金屬氧化物,有著更好的隔熱性能和力學性能[1～6]。

氧化鋯纖維隔熱材料內部換熱過程包括:纖維固體材料的導熱、隔熱材料內部氣體的導熱和對流換熱、輻射換熱,氧化鋯隔熱材料的實際應用中,傳熱問題是復雜的耦合換熱,這對隔熱材料的設計和優化帶來較大的不確定性,因此對纖維隔熱材料復雜耦合傳熱過程進行研究具有重要意義。筆者將以氧化鋯纖維隔熱材料為研究對象,通過數值仿真和試驗研究隔熱材料在不同溫度和壓力服役條件下各種傳熱形式對材料整體換熱特性的影響,以期對隔熱設計和性能優化方案提供參考。

1 數值分析模型

從纖維類隔熱材料的服役環境而言,氧化鋯纖維隔熱材料內部傳熱過程包含導熱、對流、輻射三種換熱形式的耦合。其中,纖維材料固體導熱可以作為無內熱源的非穩態導熱問題,由于服役過程中,氧化鋯隔熱纖維處于多層輻射屏蔽層內部,隔熱材料內部氣體內部流動形成的擾動較小,內部對流換熱主要受氣體導熱影響。此熱環境可近似為一維穩態無內熱源導熱和輻射耦合傳熱。其能量控制方程為:

邊界條件:T(x,0)=T0;T(0,τ)=T1;T(L,τ)=T2,其中ρ為有效密度,c為有效比熱容,T 為溫度,L為厚度,λ為纖維固體熱導率。

工程上采用光學厚度法來近似計算輻射換熱,光學厚度的定義為試樣的厚度與消光系數的乘積,將隔熱材料按灰體處理,輻射熱流密度和輻射導熱系數可以由如下式表示:

固氣的復合導熱系數λ是纖維板的有效導熱系數,對于該系數的確定,有著不同的經驗公式。纖維板的固體導熱系數較為常見的計算模型則可以參考如下公式:

其中f是固體比,代表了纖維板中的固體纖維所占的比例,可由纖維板的密度與纖維本體材料的密度之比來表示。

因為纖維板是纖維固體和氣體(空隙的存在)的復合體,因此纖維板的有效的導熱系數模型需要進一步的確定和優化。在科研和工程人員的研究過程中,較為常用的為并聯傳熱模型。

λg是氣體的導熱系數,可由如下公式表示:

KB為玻爾茲曼常數,dg為氣體的分子碰撞直徑,T和P分別為壓力(Pa)和溫度(K)。將(3)、(4)、(5)、(6)、(7)聯立進行求解,可以最終得到纖維板的有效導熱系數λ。

從公式中可以看到,有效導熱系數是溫度T 的函數,在公式(8)中,消光系數是需要進一步去確定,而消光系數往往使用溫度的一次函數(a+b*T)來進行表示。因此本文在通過實驗獲得的有效導熱系數的基礎上,利用窮舉算法將理論值與實驗值進行比較和擬合,來進一步地確定消光系數中的一次函數的系數a和b,最終得到有效導熱系數關于溫度和壓力(氣體導熱系數λg是壓力P和溫度T 的函數)的函數,根據并聯傳熱模型的導熱系數關系可以進一步確定不同傳熱方式在不同溫度和壓力下的影響占比[2]。

2 分析結果

選用國產短切氧化鋯纖維為研究對象,制備隔熱試樣。氧化鋯短切纖維彼此堆垛在一起呈棉絮狀,如圖1(a)所示;經分散處理后,微觀形貌如圖1(b)所示,纖維表面較為光滑致密,纖維直徑為6～8μm。計算模型中纖維直徑選取7μm。

圖1 氧化鋯纖維形貌Fig.1 Zirconia fiber morphology

結合有效導熱系數的實測值與公式(8),利用窮舉法使得計算結果逼近實測值,如圖6所示。在誤差最低的情況下,得出消光系數隨溫度變化的函數,從而進一步確定輻射傳熱系數。結合氣體導熱公式可以研究不同溫度和壓力下,傳熱方式的影響占比。

計算分析結果如圖2所示,在常壓下,隨著溫度的增加,導熱、對流兩種傳熱占比逐漸減小,輻射傳熱占比逐漸增加,當溫度超過1 800 K 時,輻射超過對流,逐漸成為隔熱材料內部的主要傳熱方式。因此2 000 K 以上的超高溫隔熱優化方向主要方向是降低輻射換熱,特別是2 500 K 以上,氧化鋯纖維隔熱材料內部傳熱占比超過50%。

圖2 常壓下不同溫度條件下三種傳熱方式占比Fig.2 The proportion of three heat transfer modes underdifferent temperature conditions at atmospheric pressure

溫度是影響隔熱材料傳熱方式的重要因素,除此之外,壓力也對材料的傳熱方式起著重要作用。對1 000℃、1 500℃、2 000℃三個典型溫度點氧化鋯隔熱材料內部三種傳熱方式在不同壓力條件下所占比例進行詳細說明。如圖3、圖4和圖5所示,當P≤1 010 Pa時,對流占比顯著降低,可以忽略不計,傳熱以纖維導熱和輻射傳熱為主,其中當溫度較低時,纖維固體導熱對于隔熱材料傳熱起著主導性作用。隨著壓強的升高,氣體傳熱的影響占比迅速增加,在溫度較小時將成為傳熱的主導因素,只有溫度較高時,輻射對傳熱的主導作用才無法被取代。如圖5所示,在10個大氣壓的情況下,當溫度升高到2 000℃,輻射傳熱的影響占比將大于氣體傳熱,而在實際情況下,隔熱材料很少會處于1 MPa的環境內,這也表明,輻射傳熱仍將是高溫環境下隔熱材料的首要的考慮因素。

圖3 熱面1 000℃不同壓力條件下三種傳熱方式占比Fig.3 The proportions of three heat transfer modes under different pressure at 1 000℃on hot surface.

圖4 熱面1 500℃不同壓力條件下三種傳熱方式占比Fig.4 The proportions of three heat transfer modes under different pressure at 1 500℃on hot surface.

圖5 熱面2 000℃不同壓力條件下三種傳熱方式占比Fig.5 The proportions of three heat transfer modes under different pressure at 2 000℃on hot surface.

3 試驗驗證

采用水流量平板法測試隔熱材料的在標準大氣壓條件下、典型溫度下、典型隔熱層密度條件下熱導率,并與計算結果進行對比,吻合度較高,結果見圖6。

圖6 有效導熱系數的實測值與計算值比較Fig.6 Comparison of the measured and calculated effective thermal conductivity

結合試驗數據修正,將隔熱材料制成隔熱瓦進行電弧風洞試驗考核。考核氧化鋯隔熱試樣在中高溫及超高溫下的隔熱性能。其中電弧風洞試驗如圖7 所示。試驗過程中通過紅外測試隔熱材料熱面溫度,K型熱電偶測試隔熱材料背面溫度,將測試熱面溫度作為計算輸入,計算隔熱背面溫度與計算結果對比表明,計算結果的一致性較好。

圖8 氧化鋯隔熱材料試樣熱面溫度Fig.8 The hot surface temperature of Zirconia thermal insulation material sample

圖9 氧化鋯隔熱材料試樣冷面溫度Fig.9 The cold surface temperature of Zirconia thermal insulation material sample

4 結論

以短切氧化鋯纖維制備的隔熱材料為對象,利用數值計算對大量實驗數據進行分析求解并開展對比試驗,研究工程應用條件下,溫度和壓力對隔熱材料傳熱方式的影響。主要結論如下:

(1)2 000 K 以上的超高溫隔熱優化方向主要是降低輻射換熱,特別是2 500 K 以上時,氧化鋯纖維隔熱材料內部傳熱占比超過50%。輻射換熱的抑制是超高溫隔熱設計和制備的關鍵。

(2)低氣壓環境可以顯著降低隔熱綜合熱導率,工程應用中對1 000 k Pa以下服役環境壓力下可以忽略內部氣體的對流換熱影響。在后續的研究中,將進一步積累實驗數據,對具體的溫度和壓力進行逼近,以指導更精準的隔熱方案設計。