高硅氧-酚醛復合材料體積燒蝕條件下的熱-力-化學多物理場耦合分析.pdf

1、近年來，隨著國家航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，對飛行器防/隔熱材料的選取和結構設計提出了更高的要求。作為一種防/隔熱功能一體化材料，高硅氧/酚醛復合材料以其優(yōu)良的防/隔熱和耐燒蝕性能，以及成本低廉、工藝簡單等特點被廣泛的應用于高超聲速飛行器的熱防護材料與結構中。在輻射熱流載荷作用下，高硅氧/酚醛復合材料的體積燒蝕行為是一個復雜的傳質(zhì)-傳熱過程，包括酚醛樹脂的熱解反應、材料內(nèi)部的熱傳導、熱解氣體的擴散、材料熱變形以及熱阻塞效應和材料的輻射散熱效

2、應，高硅氧/酚醛復合材料的體積燒蝕行為看作是一個熱-力-化學多物理場耦合的作用過程。由于高硅氧/酚醛復合材料纖維相和基體相熱膨脹系數(shù)的不匹配性，材料內(nèi)部將產(chǎn)生較大熱應力并且在局部分布不均勻，而局部應力集中會直接影響材料的安全性和可靠性，因此對材料在高溫條件的局部熱變形和熱應力等方面還需要進行準確分析和計算。由于三維多物理場耦合計算的復雜性，在以往也很少有文獻進行報道。為了滿足實際復雜結構高溫力學性能分析的需求，急切需要開展三維的熱-力-

3、化學多物理場耦合計算模型及相關計算方法的研究。
　　本文首先研究高硅氧/酚醛復合材料體積燒蝕條件下的吸/放熱機理，以及酚醛樹脂熱解后熱解氣體的熱阻塞效應?；谠摲罒釓秃喜牧象w積燒蝕條件下的防/隔熱機理，建立包括碳化層、熱解層、原始材料層在內(nèi)的體積燒蝕模型。推導了具有橫觀各向同性特性的高硅氧/酚醛復合材料體積燒蝕條件下的耦合控制方程。
　　其次利用數(shù)字圖像相關實驗系統(tǒng)（DIC）、熱電偶測溫系統(tǒng)和基于氧乙炔焰的輻射熱流實驗模擬系

4、統(tǒng)對高硅氧/酚醛復合材料試樣進行了高溫變形測試，同時對試樣燒蝕表面形貌和表面生成物進行了微觀觀測。得到試樣特定點處的溫度時間歷程曲線以及試樣全場的變形分布，利用SEM設備對試樣燒蝕面上結晶熔融狀物質(zhì)進行了能譜分析。
　　最后基于高硅氧/酚醛復合材料體積燒蝕條件下的熱-力-化學耦合控制方程和COMSOL商用有限元軟件，建立該材料單側(cè)輻射熱流載荷作用下的三維熱力學響應模型。預報了材料單側(cè)輻射熱流載荷作用下的溫度場、變形場、氣體壓力場、