一种碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法与流程

本发明涉及一种用于确定碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法，属于材料防热分析领域。
背景技术：
：碳/碳复合材料是以碳纤维增强碳基体的复合材料，由美国空军材料实验室于20世纪60年代意外得到，由于具有特殊的结构与性能后来得到快速发展，是目前最为先进的烧蚀防热材料。碳/碳复合材料通过牺牲材料的一部分质量来达到防热效果，碳的氧化、碳氮反应、碳的升华以及高压下的机械剥蚀是其主要质量损失来源，实现对碳/碳复合材料烧蚀、剥蚀质量损失的准确预测对于材料防热设计及材料制备工艺改进具有特别重要的意义。目前针对碳/碳复合材料的烧蚀预测存在着相对成熟的预测方法，但多是基于试验数据拟合机械剥蚀因子的宏观参数修正方法，针对不同制备、成型工艺条件下获得的材料烧蚀性能差别预测存在普适性不足的问题，同时传统宏观参数修正方法不能反映材料细观尺度的渐进烧蚀行为，对烧蚀性能预测还存在困难，尤其是对于材料在高压环境下的细观尺度的机械剥蚀现象等还缺乏可靠的预测手段。技术实现要素：本发明的技术解决问题是：提供一种用于确定碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法，根据纤维细观烧蚀形貌演变过程，建立了纤维在细观尺度下的力学模型，给出基于纤维断裂模式的材料剥蚀分析方法，可实现对不同压力、温度环境下的剥蚀速率预测。本发明的技术解决方案是：一种碳/碳复合材料机械剥蚀速率的确定方法，包括下列步骤：(1)使用纤维烧蚀典型外形结合流场参数得到纤维受力分析的结果；(2)使用纤维受力分析结果，结合纤维强度及断裂准则得到纤维的临界破坏高度；(3)结合纤维形貌的演化规律分析纤维的剥蚀频率；(4)使用纤维临界破坏高度和剥蚀频率实现对单根纤维体积剥蚀率的计算；(5)根据上述单根纤维体积剥蚀率，计算单根纤维剥蚀因子；(6)利用单根纤维剥蚀因子结合材料中纤维体积分数计算材料的剥蚀因子。纤维受力分析步骤如下：(1)建立稳态烧蚀时，纤维烧蚀典型外形的受力分析模型；(2)对上述受力分析模型中的表面压力差简化为作用点位于纤维高度90％处的集中力；(3)低压状态即小于等于0.5Mpa采用DSMC方法计算纤维表面压力积分得到集中力大小，高压情况即大于0.5Mpa，假设纤维受力大小F与来流压力P成正比即F＝ηP，由低压数据线性外插得到；η为单位纤维半径和单位压强下集中力的大小。高压情况下，纤维直径为7e-6m时，取F≈1.28849385×10-10P。纤维的临界破坏高度确定步骤如下：将纤维烧蚀中间过程形貌简化为变截面悬臂梁，在自由端受集中载荷F；根据工程力学理论分析得到纤维内部应力，根据第一强度准则得到纤维断裂临界高度。简化的变截面悬臂梁纵剖面外轮廓线为椭圆线，纤维顶点为椭圆线长轴顶点。纤维的临界破坏高度hf,cr公式为式中，F为纤维受力大小，Rf为纤维半径，σcr为纤维单向拉伸强度，hf,max为纤维稳态烧蚀高度。单根纤维体积剥蚀率的计算由细观烧蚀方法得到纤维露出高度变化及其到达断裂临界高度的时间，计算断裂临界高度下的纤维剥蚀体积，进而得到单根纤维的体积剥蚀速率。将纤维剥蚀后形状简化为顶部半径为R1底部半径为R2锥台，使用下式计算其断裂临界高度下的纤维剥蚀体积Ve：R1≈max(0,Rf-VfkfC0ttr)R2≈(Rf+R1)/2＝Rf-VfkfC0ttr/2式中，Rf为纤维半径，Vf为纤维体积分数，kf为碳纤维的反应性常数，C0为外界面反应气体的摩尔浓度，ttr为纤维达到临界破坏高度的时间。本发明与现有技术相比有益效果为：(1)本发明从细观纤维受力断裂失效分析定量预测材料宏观机械剥蚀速率，直接建立了材料烧蚀过程中宏细观参数之间的关系，无需开展大量地面性能测试试验拟合机械剥蚀因子。(2)本发明准确描述了材料宏观机械剥蚀现象产生的根本原因和演化过程，可以计及材料细观结构特征，因此参数描述更为准确，具有计算精度高，研究成本低，适用压力范围广的特点。(3)本发明根据DSMC流场分析，基于纤维露出部分压力分布，给出了纤维力学分析的悬臂梁简化模型和等效集中力与来流压力之间的函数关系，为纤维剥蚀断裂细观分析提供准确且便于操作的载荷条件。(4)本发明首次建立了烧蚀过程中露出纤维的细观模型，根据纤维细观受力分析结果，选取纤维强度准则，给出了纤维露出部分断裂破坏的判据，揭示并准确描述了材料剥蚀机理，为材料剥蚀分析提供了理论分析基础。附图说明图1：本发明方法基本流程图2：碳纤维烧蚀稳态形貌下受力分析模型图3：不同来流压力条件下的纤维两侧压差沿纤维露出高度的分布图4：纤维受简化集中力与来流压力的近似线性关系图5：碳纤维烧蚀非稳态中间过程体积计算简化模型。具体实施方式下面结合附图进一步说明本发明。如图1所示的本发明方法基本流程图，本发明的具体实施过程如下：1.使用纤维烧蚀典型外形(图2)结合流场分析，得到纤维所受两侧表面压力差△p随纤维露出高度hf的变化规律(图3)。纤维下部80％以下压力量级很小而忽略，纤维上部20％范围内表面压力差简化为集中力，作用点位于纤维高度90％处，大小由压差沿纤维外形积分确定。根据不同来流压力条件下集中力分析结果，可见纤维受集中力与来流压力P近似呈线性关系(图4)，因此给出计算不同来流压力下纤维受简化集中力的计算式：F＝ηP其中，F为纤维受集中力，P为来流压力，η为单位纤维半径和单位压强下集中力的大小。则低压状态即小于等于0.5mpa时采用DSMC方法计算纤维均布压力，高压情况即>0.5Mpa由低压数据线性外插得到，如图4所示，纤维直径为7e-6m时，可取F≈1.28849385×10-10P。2.使用纤维受力分析结果，结合纤维强度及断裂准则得到纤维的临界破坏高度:其中，hf,cr为纤维临界断裂高度，Rf为纤维半径，σcr为纤维单向拉伸强度。3.结合纤维形貌的演化规律分析纤维的剥蚀频率，得到纤维达到临界破坏高度的时间：其中，ttr为纤维达到临界破坏高度的时间，β＝-VfkfC0和γ＝ViDC0+Dβ/ki在流场参数一定的情况下为常数，k为反应性常数，且有k＝k0exp(-E/RT)，k0为常数，ki为界面的反应性常数，kf为碳纤维的反应性常数，E为氧化反应所需的活化能，D为反应气体在边界层中的扩散系数，C0为外界面反应气体的摩尔浓度，t0为常数，且有4.使用纤维临界破坏高度和剥蚀频率实现对单根纤维体积剥蚀率的计算：其中，为体积剥蚀率，hf为纤维露出高度，R1≈max(0,Rf-VfkfC0ttr)和R2≈Rf-VfkfC0ttr/2为纤维剥蚀锥台顶部半径和底部半径(图5)。5.计算单根纤维剥蚀因子：其中，fr,fiber为纤维的剥蚀因子，v化为纤维的化学烧蚀速率。6.结合材料中纤维体积分数计算材料的剥蚀因子fr。fr＝1+φf(fr,fiber-1)其中，φf为纤维的体积分数。具体应用实例使用以上方法对风洞烧蚀试验6个状态下的某碳/碳材料机械剥蚀因子进行了计算。表1为材料相关细观几何及物性参数，表2为风洞烧蚀试验状态数据。表1材料细观几何及物性参数纤维半径3.5×10-6m纤维体积分数0.52材料密度1950kg/m3纤维拉伸强度200MPa表2风洞试验状态纤维和界面反应性常数采用阿雷尼乌斯经验公式进行计算，其中纤维反应性常数为界面反应性常数为其中T*＝1230K。计算出材料烧蚀速率结果如下表4所示，可见，与试验结果相比，本发明方法线烧蚀速率预测结果误差均在15％以内。表4烧蚀速率计算结果与传统方法及试验结果的比较本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。当前第1页1 2 3