C/C復合材料廣(guang)泛(fan)用(yong)於航(hang)天(tian)器熱(re)防(fang)護系統 ​ 

    目前地球(qiu)周邊有50多萬(wan)塊(kuai)太(tai)空垃圾,其(qi)速度約為7.80 km/s(22.90 M),航(hang)天(tian)器在(zai)飛(fei)行(xing)過程中(zhong)有(you)可(ke)能會受到(dao)太空(kong)碎(sui)片(pian)的高速沖(chong)擊,對(dui)結構造成(cheng)沖(chong)擊損傷(shang),威(wei)脅(xie)安全(quan)。尤其是載入式航(hang)天(tian)器的熱(re)防(fang)護系統,更易受到(dao)此(ci)類威(wei)脅(xie),需要對(dui)高速沖(chong)擊損傷(shang)行(xing)為進(jin)行(xing)理(li)論探索,為熱(re)防(fang)護系統設計提(ti)供參考(kao)。

    C/C復合材料廣(guang)泛(fan)用(yong)於航(hang)天(tian)器熱(re)防(fang)護系統。其高速沖(chong)擊損傷(shang)行(xing)為尚不明確(que),而沖(chong)擊損傷(shang)在(zai)服(fu)役(yi)過程中(zhong)對(dui)C/C復合材料性(xing)能的影(ying)響也鮮(xian)有(you)報道(dao)。研(yan)究(jiu)C/C復合材料高速沖(chong)擊行(xing)為對(dui)C/C復合材料防熱(re)構件(jian)設(she)計具(ju)有重(zhong)要(yao)的(de)意義(yi)。采(cai)用(yong)具(ju)有不同(tong)預(yu)制體結(jie)構和(he)基(ji)體熱(re)解(jie)碳(tan)結構的C/C復合材料、SiC塗層C/C復合材料(SiC-C/C)、ZrB_2-SiC雙(shuang)塗層C/C復合材料(ZrB_2-SiC-C/C)作(zuo)為本研(yan)究(jiu)的靶板(ban)材料,選(xuan)用(yong)季戊四醇(chun)四硝酸(suan)酯(C_5H_8N_4O_(12))作(zuo)為固(gu)體炸藥加(jia)載顆(ke)粒(li)進(jin)行(xing)高速沖(chong)擊試(shi)驗(yan)。以(yi)2.5D C/C復合材料為沖(chong)擊靶板(ban),分別測(ce)試(shi)了不同(tong)沖(chong)擊速度、沖(chong)擊顆(ke)粒(li)種(zhong)類(大小(xiao)、數(shu)量(liang)、形狀等(deng))和(he)靶板(ban)尺(chi)寸(cun)條(tiao)件(jian)下(xia)C/C復合材料的高速沖(chong)擊損傷(shang)行(xing)為,得到(dao)了C/C復合材料的高速沖(chong)擊損傷(shang)模式(shi)主要(yao)有:穿孔(kong)、侵(qin)徹破壞、反(fan)射波(bo)拉(la)伸層(ceng)裂(lie)破(po)壞(huai)和(he)局部彎曲(qu)變(bian)形。

    表現的(de)宏觀損傷(shang)形貌有(you):正(zheng)面(mian)分布著沖(chong)擊坑(keng)、裂(lie)紋(wen)和(he)“微(wei)沖(chong)擊坑(keng)群”;背面出現裂(lie)紋(wen),損傷(shang)嚴重(zhong)的發生(sheng)纖(xian)維(wei)斷裂(lie)甚至(zhi)分層斷裂(lie)。正(zheng)面(mian)沖(chong)擊損傷(shang)程度可(ke)以用(yong)沖(chong)擊坑(keng)最(zui)大(da)深度和(he)最(zui)大(da)直徑(jing)來定(ding)量(liang)評價(jia),而層裂(lie)形成的“層裂(lie)坑(keng)”的(de)大(da)小不能作(zuo)為表征背面損傷(shang)的參數(shu)。在(zai)相(xiang)同(tong)條(tiao)件(jian)下(xia),對(dui)不同(tong)預(yu)制體結(jie)構(2D正(zheng)交(jiao)鋪(pu)層(ceng)和(he)2.5D針(zhen)刺(ci)碳(tan)氈)和(he)基(ji)體結(jie)構(高織(zhi)構(HT)和(he)低(di)織(zhi)構-高織(zhi)構(LT-HT)雙(shuang)基(ji)體)C/C復合材料進(jin)行(xing)高速沖(chong)擊試(shi)驗(yan),對(dui)比發現:基(ji)體界面(mian)增(zeng)多可(ke)以提(ti)高材料強(qiang)度,從(cong)而提(ti)高C/C復合材料沖(chong)擊正(zheng)面(mian)的(de)抗(kang)侵徹(che)能力;連續長纖(xian)維(wei)含量(liang)的增(zeng)多(duo)可(ke)以提(ti)高C/C復合材料背面抗(kang)層裂(lie)能力及(ji)試(shi)樣表面(mian)的結(jie)構完整(zheng)性(xing);適當的減弱預(yu)制體鋪(pu)層(ceng)界面(mian)的(de)結合強(qiang)度、提(ti)高試(shi)樣(yang)內部(bu)孔(kong)隙(xi)率,也可(ke)以提(ti)高材料的抗(kang)層裂(lie)能力。以(yi)不同(tong)速度對(dui)2.5D C/C復合材料進(jin)行(xing)高速沖(chong)擊試(shi)驗(yan),揭示(shi)不同(tong)沖(chong)擊損傷(shang)對(dui)C/C復合材料彎曲(qu)強(qiang)度的(de)影(ying)響。

    另(ling)外,探討了(le)高速沖(chong)擊過程中(zhong)試(shi)樣(yang)內(nei)部的損傷(shang)演變(bian)規律(lv):沿(yan)著沖(chong)擊方(fang)向,試樣(yang)內(nei)部(bu)損傷(shang)模式(shi)從(cong)基(ji)體開(kai)裂(lie)和(he)纖(xian)維(wei)斷裂(lie)向(xiang)層(ceng)裂(lie)過渡。背面層(ceng)裂(lie)損傷(shang)對(dui)C/C復合材料強(qiang)度削(xue)弱能力較正(zheng)面(mian)產(chan)生(sheng)的損傷(shang)大;隨(sui)著沖(chong)擊速度的(de)增(zeng)大(da),試(shi)樣背面的(de)彎曲(qu)斷裂(lie)模(mo)式(shi)由(you)脆性(xing)斷裂(lie)向(xiang)類似塑性(xing)變(bian)形轉(zhuan)變(bian)。另(ling)外,塗層試(shi)樣(yang)沖(chong)擊後剩(sheng)余(yu)彎曲(qu)強(qiang)度及(ji)斷裂(lie)模(mo)式(shi)與C/C復合材料相似(si),沖(chong)擊損傷(shang)對(dui)包埋法制(zhi)備的(de)內(nei)塗層與基體結(jie)合強(qiang)度的(de)影(ying)響不大(da)。沖(chong)擊後,C/C復合材料在(zai)循環載荷作(zuo)用(yong)下迅速失效(xiao),采(cai)用(yong)電阻法(fa)對(dui)單向(xiang)和(he)正(zheng)交(jiao)鋪(pu)層(ceng)C/C復合材料產生(sheng)的損傷(shang)進(jin)行(xing)實時(shi)監測(ce),結果表(biao)明:電阻法(fa)可(ke)以實(shi)時(shi)監測(ce)材料在(zai)服(fu)役(yi)狀態的損傷(shang)演變(bian)並(bing)判定(ding)其(qi)產生(sheng)損傷(shang)的種(zhong)類。以2.5D C/C復合材料大靶板(ban)沖(chong)擊後的試樣(yang)為研究(jiu)對(dui)象(xiang),探討了(le)不同(tong)沖(chong)擊損傷(shang)位置(zhi)材料的高溫熱(re)膨脹性(xing)能,結果(guo)表(biao)明:沖(chong)擊損傷(shang)區(qu)域(yu)不同(tong),會導致(zhi)C/C復合材料熱(re)膨脹變(bian)化(hua)存在(zai)差異(yi):在(zai)900-2350℃範(fan)圍(wei),損傷(shang)中(zhong)心(xin)區(qu)域(yu)試樣(yang)的熱(re)膨脹系(xi)數在(zai)X或(huo)者(zhe)Y方(fang)向(X-Y)和(he)Z方(fang)向上均低(di)於(yu)邊(bian)緣區(qu)域(yu)試樣(yang)的熱(re)膨脹系(xi)數(CTE),而當溫度超過2350℃後,由(you)於(yu)石(shi)墨(mo)化(hua)作(zuo)用(yong),沖(chong)擊損傷(shang)對(dui)C/C復合材料各(ge)個方(fang)向熱(re)膨脹系(xi)數均沒(mei)有(you)顯(xian)著(zhu)影響;CTE在(zai)X-Y方(fang)向的最(zui)小(xiao)值(zhi)和(he)Z方(fang)向上的(de)最(zui)大值(zhi)所對(dui)應的(de)溫度較邊緣區(qu)域(yu)滯(zhi)後50℃;纖維(wei)斷裂(lie)和(he)垂(chui)直於(yu)纖(xian)維(wei)方(fang)向的基(ji)體裂(lie)紋(wen)是(shi)X-Y方(fang)向CTE衰減的(de)主要(yao)因(yin)素,熱(re)解(jie)碳(tan)片層(ceng)開裂(lie)、纖(xian)維(wei)/基體脫(tuo)層和(he)環(huan)狀裂(lie)紋(wen)會(hui)引(yin)起Z方(fang)向上CTE減小(xiao)。帶(dai)缺陷(xian)的(de)C/C復合材料經高溫處理(li)後(002)面間距(ju)減小(xiao),亂層(ceng)堆垛高度(L_c)增(zeng)大(da)。對(dui)比了C/C復合材料、SiC-C/C復合材料和(he)ZrB_2-SiC-C/C復合材料三者(zhe)在(zai)2500℃氧(yang)乙(yi)炔(que)焰(yan)燒(shao)蝕100 s後的形貌及(ji)燒(shao)蝕率,結果(guo)表(biao)明:塗層C/C復合材料和(he)C/C復合材料的燒(shao)蝕率均隨(sui)著沖(chong)擊速度的(de)增(zeng)大(da)而增大。

     隨沖(chong)擊速度的(de)增(zeng)大(da),燒(shao)蝕面(mian)積(ji)、損傷(shang)區(qu)域(yu)的形狀不規則程度增(zeng)加(jia),燒(shao)蝕區(qu)界線(xian)逐(zhu)漸(jian)模糊;相(xiang)同(tong)條(tiao)件(jian)沖(chong)擊後,由(you)於(yu)塗層和(he)基(ji)體界面(mian)的(de)影響,包(bao)埋法制(zhi)備的(de)SiC塗層對(dui)C/C復合材料基體有(you)“二(er)次(ci)損傷(shang)”作(zuo)用(yong),導致(zhi)沖(chong)擊後塗層C/C復合材料線燒(shao)蝕率較C/C復合材料大。高速沖(chong)擊損傷(shang)對(dui)塗層C/C復合材料燒(shao)蝕性(xing)能的影(ying)響主(zhu)要(yao)取決(jue)於內塗層與基體的(de)界面(mian)、內(nei)塗層的(de)硬(ying)度及(ji)其(qi)分布。  更多碳(tan)碳(tan)復合材料信息(xi)可(ke)查看http://youtv.com.cn/