炭－炭復合材料耐高溫和高速粒子燒蝕/侵蝕研究*

王德文，楊月誠，査柏林，何小鵬

(第二炮兵工程大學，西安 710025)

0 引言

固體火箭發動機絕熱材料的工作環境十分惡劣，要經受高溫高壓燃氣的燒蝕和凝相顆粒的沖刷，因此防熱抗燒蝕材料的燒蝕性能研究一直都是倍受關注的問題。C/C復合材料克服了一般炭－石墨材料強度低的缺點，既保持了石墨的耐高溫性能，又具有高比強度和低燒蝕率，成為一種良好的抗燒蝕材料和耐高溫結構材料，廣泛用于固體火箭發動機(SRM)噴管、火箭重返大氣層系統的防護罩以及導彈的端頭帽等，分析C/C復合材料的燒蝕特性是亟待解決的熱點問題。

碳－碳復合材料是用碳(石墨)纖維或織物為增強材料，用沉積碳或浸漬碳為基體制成的復合材料。碳在高溫下升華，吸收熱量。而且碳還是一種發射率較高的材料，它能以表面熱輻射的形式耗散掉大量的氣動熱，因而具有很好的抗燒蝕性能。它不但能在本身的高溫蒸發中吸收熱量，而且還能在由于高速熱氣流沖刷而流失的過程中帶走大量的熱量。本工作利用液氧煤油的混合燃氣為工作氣體，對C/C復合材料進行耐燒蝕實驗，并對實驗結果做了初步的討論。

1 模擬燒蝕實驗

1.1 實驗方法

將作為燃料的煤油和作為助燃劑的氧氣混合燃燒，形成高壓燃氣。在燃氣中加入Al2O3顆粒來模擬固體火箭發動機排氣環境(SSRM)。通過噴管將燃氣加速至超音速，產生帶粒子的高溫高壓工作燃氣。其中氧氣流量為45m3/h，壓力為1.2 MPa，航空煤油流量為 27L/h，壓力為 1.5MPa。

1.2 實驗參數

本實驗所采用的試件為3D炭纖維預制體結構的化學氣相沉積制備的C/C復合材料，密度為1.75g/cm3。Al2O3粉末的粒徑取 200～400目，即 37.5～75μm。其他實驗參數如表1所示。

表1 燒蝕實驗參數

2 燃流溫度與速度分布

在本實驗條件下，超音速火焰出口處射流平均溫度可達2800K，氣流速度約2150m/s，粒子速度約為600m/s，焰流高速流出噴槍后，進入大氣，形成湍流焰流。焰流的各氣動參量，在其橫截面分布并不是均勻的，焰流中心和焰流邊緣之間差別較大，從焰流中心至邊緣，各氣動參量呈拋物線分布，并且具有相似性。為了研究的方便，通常以軸心線處的氣動參量來表征焰流的特征，焰流軸心線處的速度可用式(1)表達[1]。

式中:Vg為焰流的速度;Ve為噴管出口處焰流的速度;re為噴管出口半徑;x為離噴管出口的軸向距離;α為焰流擴展角，焰流外邊界夾角稱焰流擴展角;θ為無因次溫度，為噴管出口焰流溫度與大氣溫度之比。

式中:Te為噴管出口焰流溫度;Ta為大氣溫度。

焰流軸心線處的溫度可表示為:

式中:ΔTg=Tg－ Ta;ΔTe=Te－ Ta;Tg為焰流溫度。

超音速火焰焰流出口速度和溫度為2150m/s和2800K，焰流擴展角為6°。實驗環境溫度為假定恒溫303K(30℃)，計算的焰流軸心處的速度和溫度如圖1所示。

圖1 理想狀態下焰流軸心線速度和溫度

3 燒蝕分析與討論

炭/炭復合材料的主要組分為碳，碳的化學潛熱為59450kJ/kg。碳的汽化溫度很高，大約為3300K。在本實驗條件下，燒蝕距離為10mm，燒蝕火焰中心溫度在2500K左右，氣流速度約2000m/s，粒子速度約為800m/s，故試件主要受熱化學燒蝕(氧化)和機械剝蝕兩部分的影響，在氧煤油燃燒后的高溫高速射流中，C/C復合材料表面的熱化學反應非常復雜，在不同的燒蝕區具有不同的燒蝕機理:

1)在火焰燃流邊緣，當溫度達400℃后，碳與材料表面孔隙中的氧開始發生氧化反應，此時在燒蝕邊緣由于空氣中富含氧氣，燒蝕過程中為富氧反應。采用法國JY公司生產的TRIAX550光譜儀對燃燒產物進行驗證，此時產物主要是二氧化碳和一氧化碳，故化學方程式為:2C+O2→2CO，2CO+O2→2CO2。

2)在火焰中心處，由于燃流溫度達到2500K左右，在此高溫環境下，燒蝕中心處除了氧化反應外，還存在碳和二氧化碳間的反應，生成一氧化碳氣體，消耗部分碳。即CO2+C→2CO加速了碳材料的消耗，從而在燒蝕中心處，燒蝕率顯著增大，產物主要是一氧化碳。

3)在燒蝕邊緣和燒蝕中心的過渡區，隨著溫度的不斷升高，反應由開始的以氧化反應為主向由碳和二氧化碳反應生成一氧化碳的反應過渡。

4)在加粒子的射流沖蝕下，經光譜儀驗證，燃燒產物主要是一氧化碳。由于Al2O3粒子溫度高，速度大，C/C復合材料的消耗主要是機械剝蝕為主。

C/C復合材料燒蝕實驗的SEM形貌如圖2～圖3所示。實驗一在燃氣中未加粒子，焰流與試件法線平行的燒蝕條件下，由于基體的密度小于纖維的密度，基體的后退率大于纖維的后退率，隨著熱化學燒蝕的進行，復合材料的基體相對快速消耗，結構表面的纖維突起將越來越明顯，而使得纖維幾乎完全裸露，在燒蝕中心區，預制體結構成網狀裸露出來(如圖2(a)所示);在燒蝕界面處，由于燃流橫截面溫度和速度梯度大，化學反應速率由燃流中心向外逐漸降低，纖維斷面呈錐形(如圖2(b)所示)。

圖2 實驗一無粒子垂直燒蝕形貌

實驗二在加粒子的燒蝕/侵蝕條件下，由于氣流和粒子流耦合作用，纖維和基體承受熱應力和粒子侵蝕雙重作用。由于粒子的機械剝蝕作用，試件成片狀剝落，燒蝕速率成倍增加。在燒蝕中心區試件表面較平滑(如圖3(a)所示)，燒蝕邊界區，斷面相對齊整，此時復合材料成片狀碎裂(如圖3(b)所示)。線燒蝕率為0.565mm/s，質量燒蝕率為0.832g/s(如表2 所示)，加粒子的線燒蝕率為不加粒子的線燒蝕率的2.81倍，質量燒蝕率的3.3倍。即在加粒子的燒蝕條件下，復合材料的氧化消耗相對較少，主要以機械剝蝕為主，產物主要為一氧化碳。

圖3 實驗二帶粒子垂直侵蝕形貌

在實驗三中燃氣未加粒子，焰流與試件法線成60°角度的燒蝕條件下，線燒蝕率為0.185mm/s，質量燒蝕率為0.278g/s。即成60°角侵蝕的線燒蝕率為垂直燒蝕的0.92倍，質量燒蝕率的1.1倍。在實驗四中燃氣加入粒子，焰流與試件法線成60°角的燒蝕條件下，線燒蝕率為0.489mm/s，質量燒蝕率為1.154g/s。即成60°度的線燒蝕率是垂直燒蝕的0.865倍，質量燒蝕率的1.387倍。此時由于試件表面與射流成銳角，使得燃流在試件法線方向上的溫度和速度分量比垂直燒蝕時小，熱應力和機械剝蝕力也降低，因而在法線方向上的線燒蝕率降低。同時，由于射流和試件的接觸面變大，故質量燒蝕率增大。

表2 試件燒蝕率

4 結論

1)C/C復合材料由于晶體結構不完整導致纖維和基體抗氧化能力有較大差異。在不加粒子的超音速火焰中以氧化反應為主，纖維裸露，斷面呈錐狀，燒蝕區中心部位纖維成網狀結構，產物為一氧化碳和二氧化碳;在加粒子侵蝕下，燒蝕以機械剝蝕為主，斷面齊整，燒蝕中心區較光滑，產物為一氧化碳。

2)C/C復合材料中炭纖維排列取向與火焰的燒蝕角度對材料的抗燒蝕性能有很大的影響。火焰垂直于纖維的燒蝕/侵蝕時消耗最大。

[1]張福祥.火箭燃氣射流動力學[M].北京:國防工業出版社，2004:63－66.

[2]張貴田.高壓補燃液氧煤油發動機[M].北京:國防工業出版社，2005:1－226.

[3]L M Manocha，E Fitzer.Carbon Reinforcements and C/C Com-posites[M].Springer，1998.

[4]丘哲明.固體火箭發動機材料與工藝[M].北京:宇航出版社，1995.

[5]劉紅林，金志浩，郝志彪，等.化學液相沉積制備的炭/炭復合材料燒蝕性能研究[J].固體火箭技術，2005，28(1):57－59.