粒子侵蝕對碳/碳-碳化硅復合材料燒蝕性能的影響

王德文，洪 興，陳 昊

(西京學院，西安 710123)

0 引言

高速飛行器在大氣層內飛行時，由于飛行速度高，大氣中的塵埃、冰晶和雪花粒子等將不斷對飛行器的頭部產生機械撞擊，造成機械侵蝕，嚴重的侵蝕破壞曾造成了“哥倫比亞號”空難事件。為保護飛行器頭部內的元器件的安全，在飛行器頭部的表面制備一層防護層，通過防護層來抵御大氣粒子對飛行器的機械損傷，從而實現保護飛行器內部的目的[1]。國內外學者也開展了相關的研究，如Ogi等研究了不同撞擊速度對2D及3D編織的CMC平板的表面和內部損傷情況[2]；Presby等采用實驗和數值分析的方法對鋼球沖擊C/SiC復合材料平板的損傷情況進行了研究[3]。 C/C-SiC復合材料具有高比強度、高比模量、優良的高溫力學性能和極好的尺寸穩定性等一系列突出的特性，己成功應用在航空航天等領域[4-5]。

文中以飛行器的飛行速度馬赫數為6，飛行高度約為10 km，天氣嚴重指數為8的飛行軌道為試驗基本條件，基于動量平衡原理，采用地面模擬試驗臺發射含粒子射流模擬高空粒子侵蝕環境，將試件置于含粒子的射流中進行機械侵蝕試驗，研究試件的抗粒子侵蝕性能。

1 試驗

1.1 試驗試樣

試驗材料為正交編制，化學氣相滲透法制備的C/C-SiC復合材料[6-7]。復合材料的預制體在編織前將碳纖維分別在縱向和橫向上分層平鋪，在垂直于平鋪面的軸向上垂直編織碳纖維，織成三維正交預制體。以氬氣為載氣，氫氣為稀釋氣體，甲基三氯硅烷(MTS) 為反應氣體，對預制體進行化學氣相滲透沉積，制成密度約為2.16 g/cm3的C/C-SiC復合材料。制成的復合材料的圖片如圖1所示。制成的試樣長×寬×厚分別為100 mm×100 mm×10 mm。

圖1 制成的復合材料圖片

1.2 試驗方法

地面試驗臺將氣氧和航空煤油混合、點燃并加速成超聲速的射流，在射流中注入氧化鋁粒子，模擬大氣中粒子侵蝕狀態[8]。根據計算結果，試驗中選擇氧氣的流量標況下為47 L/min，航空煤油流量為27 L/h，射流的出口速度約為2 150 m/s，溫度約為2 800 K，采用粒子測溫測速儀測量和仿真計算獲得粒子的速度曲線，將試件置于距出口80 mm處進行機械侵蝕試驗。試件試驗前的基本參數如表1所示。

表1 試件基本參數

2 試驗參數分析

2.1 試驗參數選擇

根據Rankine-Hugoniot關系式，當飛行器以馬赫數為6的速度在大氣中飛行時，在飛行器頭部區域產生的正激波前后氣流的馬赫數、壓強和密度及溫度的值計算關系式為[9]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：下標1和2分別代表激波前和激波后；μ為以馬赫數表示的速度；γ為比熱比，這里取值為1.40；p為壓力；ρ為密度；T為溫度。

經過計算可得，當飛行高度為10 km，馬赫數為6的飛行器激波前后氣流場的狀態參數如表2所示。

表2 飛行高度為10 km，馬赫數為6的流場參數

當粒子在大氣中飛行穿越激波層的時候，粒子在激波層內的速度衰減規律為：

(5)

式中：v1為粒子激波前的速度；v2為激波后的速度；ρ1為激波前氣體密度；ρ2為激波后氣體密度；x為粒子與駐點的距離；D為粒子的直徑；CD為粒子阻力系數,這里取3.5[10]。根據計算可以獲得粒子在激波后的速度曲線，為試驗中選取粒子速度的依據。

2.2 燒蝕/侵蝕率

材料的線侵蝕率可用式(6)算出[11-12]：

(6)

式中：Rd為材料的線侵蝕率；d1為試件試驗前的厚度；d2為試件侵蝕試驗后剩余的厚度；t為侵蝕試驗的時間。

材料的質量侵蝕率由式(7)算出：

(7)

式中：Rm為材料的質量侵蝕率；m1為試件試驗前的質量；m2為侵蝕試驗后剩余的質量。

由試驗測定試件在不含粒子射流中的燒蝕率和在含粒子射流中的侵蝕率如表3所示。

表3 不含粒子的燒蝕率/含粒子的侵蝕率

3 分析與討論

在粒子侵蝕的試驗條件下，復合材料要承受高溫氣流的燒蝕和粒子流侵蝕的雙重耦合作用，所以復合材料的消耗將以熱化學反應和機械剝蝕為主[13-16]。采用掃描電鏡對試樣侵蝕后的微觀形貌觀察，如圖2所示。通過觀察可以發現，在駐點侵蝕的中心區，試件表面可以看見多個凹坑，這些凹坑可能是由于粒子的機械沖擊形成的機械損傷，也可能是試件在制造過程中殘存的孔隙在熱化學反應的作用下擴大(如圖2(a)所示)，對駐點區放大1.0×104倍觀察，可以發現碳纖維的斷面比較尖銳，表明纖維在粒子的機械侵蝕的作用下呈脆性斷裂。結合微CT的照片并比較兩種狀態下的燒蝕率，可以知道這些凹坑主要是由粒子的機械沖擊造成的損傷(如圖2(b)所示)。

圖2 帶粒子垂直侵蝕形貌

采用掃描電鏡觀察試件侵蝕后斷面的形貌，如圖3所示。從圖3(a)可以看見在斷面有一些白色點狀物質沉積，通過掃描電鏡分析其成份為Al2O3粒子粉末。另外還可以觀察到試件的斷面不齊整，有許多不規則的凹坑。將斷面凹坑處放大2 000倍觀察，可以發現凹坑是由碳纖維在粒子的侵蝕作用下發生了脆性斷裂所形成,如圖3(b)所示。

圖3 試樣燒蝕斷面比較

采用微CT對試件的內部區域進行掃描觀察，如圖4所示。圖中左邊標注a部分為試件在不含粒子的射流中燒蝕后的內部形貌，右邊標注b部分為試件在含有粒子的射流中侵蝕后的形貌。通過對比可以發現，試件在不含有粒子的射流中燒蝕后的內部區域結構完整，基本上見不到裂紋，而在含有粒子的射流中侵蝕后，由于粒子的機械侵蝕作用，在試件的內部產生了裂紋，這些裂紋在射流的作用下，將增加試件的熱化學反應面積，因而增加了試件的消耗率。

圖4 微CT掃描試件內部結構

4 結論

1)采用不含粒子的射流和含粒子的射流分別對正交編制化學氣相沉積的方法制成的C/C-SiC復合材料試件進行燒蝕/侵蝕試驗，獲得線燒蝕率約為0.021 mm/s，質量燒蝕率約為0.019 5 g/s，線侵蝕率為0.047 mm/s，質量侵蝕率約為0.035 1 g/s。線侵蝕率是燒蝕率的2.24倍，質量侵蝕率是燒蝕率的1.8倍。

2)復合材料在粒子侵蝕的作用下，界面發生脆性斷裂，內部產生了裂紋，增加了試件的燒蝕率，粒子侵蝕對試件的消耗起到了決定性的作用。