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Al20Si/Gr耗散防热材料氧—乙炔和发动机燃烧室烧蚀性能研究

2020-12-13阅读(822)

Al20Si/Gr耗散防热材料氧—乙炔和发动机燃烧室烧蚀性能研究

论文摘要

本文通过专利技术（ZL200810064995.2）制备得Al20Si/Gr耗散防热材料,其中基体为多孔石墨,耗散剂为Al20Si。利用万能电子试验机测试了常温和高温弯曲强度、压缩强度。采用氧-乙炔烧蚀试验和超燃冲压发动机燃烧室烧蚀试验考察了Al20Si/Gr耗散防热材料在不同烧蚀时间和不同冷却条件下的烧蚀行为,通过SEM、XRD、EDS等分析测试手段对烧蚀后材料的表面形貌及微区成分,表面及内部的物相组成进行了分析,进而探讨了Al20Si/Gr耗散防热材料在烧蚀过程中陶瓷膜的形成过程、体积烧蚀效应及耐烧蚀机理。Al20Si/Gr耗散防热材料的常温弯曲强度较基体提高了3.5倍,常温压缩强度较基体提高了1.3倍。在20-1000℃内,随着温度的升高,Al20Si/Gr耗散防热材料的弯曲强度逐渐下降;压缩强度先下降后上升,750℃时降至最低,1000℃时又升至175MPa。在氧-乙炔烧蚀条件下,Al20Si/Gr耗散防热材料60s一次烧蚀时线烧蚀率为5.0×10-3mm/s,60s二次烧蚀的线烧蚀率较之降低了60%,较石墨基体降低了两个数量级。烧蚀表面分为中心区、过渡区和边缘区。烧蚀时间超过30s,中心区出现烧蚀坑,改变了气流方向,使得过渡区中出现明显大颗粒金属氧化物,边缘区由网状金属氧化物构成。Al20Si/Gr耗散防热材料的体积烧蚀效应为:从材料表面至背部,物相组成呈梯度分布,依次为:C+Al2O3+SiO2,C+Al4SiC4,C+Al4SiC4+SiC+Al4C3,C+SiC+Al4C3,C+Si+Al+Al4C3。耗散防热材料的抗烧蚀机理主要体现在以下几个方面:第一,烧蚀过程中耗散剂的熔化吸热;第二,陶瓷膜的热阻隔和氧阻隔效应;第三,陶瓷膜对气流冲刷的缓冲作用。发动机燃烧室烧蚀温度约为800℃,表面形成的保护膜提高了材料的耐气流冲刷性,材料内部相组成为Al、Si和C,距烧蚀面越近,Al和Si含量越低。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景及意义
  • 1.2 防热复合材料的研究现状
  • 1.2.1 难熔金属材料
  • 1.2.2 陶瓷基复合材料
  • 1.2.3 C/C 复合材料
  • 1.2.4 石墨材料
  • 1.3 防热复合材料烧蚀机理与模型
  • 1.3.1 发汗冷却技术
  • 1.3.2 表面烧蚀与体积烧蚀
  • 1.3.3 表面烧蚀与体积烧蚀
  • 1.3.4 Si 元素在烧蚀过程中的作用
  • 1.4 本文的主要研究内容
  • 第2章 试验材料与试验方法
  • 2.1 试验用材料
  • 2.2 试验方法
  • 2.2.1 Al20Si/Gr 耗散防热材料组织观察及成分分析
  • 2.2.2 Al20Si/Gr 耗散防热材料密度和致密度测试
  • 2.2.3 Al20Si/Gr 耗散防热材料弯曲性能及压缩性能测试
  • 2.2.4 Al20Si/Gr 耗散防热材料热膨胀系数测试
  • 2.2.5 Al20Si/Gr 耗散防热材料XRD 物相分析
  • 2.2.6 氧-乙炔烧蚀试验
  • 第3章 Al20Si/Gr 耗散防热材料的高温力学性能和热膨胀性能
  • 3.1 引言
  • 3.2 Al20Si/Gr 耗散防热材料的组织和相组成
  • 3.3 Al20Si/Gr 耗散防热材料的力学性能
  • 3.3.1 Al20Si/Gr 耗散防热材料的弯曲性能
  • 3.3.2 Al20Si/Gr 耗散防热材料的压缩性能
  • 3.4 Al20Si/Gr 耗散防热材料的断口分析
  • 3.4.1 Al20Si/Gr 耗散防热材料的弯曲断口分析
  • 3.4.2 Al20Si/Gr 耗散防热材料的压缩断口分析
  • 3.5 Al20Si/Gr 耗散防热材料的热膨胀性能
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 Al20Si/Gr 耗散防热材料的烧蚀性能及耐烧蚀机理
  • 4.1 引言
  • 4.2 Al20Si/Gr 耗散防热材料的烧蚀条件
  • 4.3 冷却条件对Al20Si/Gr 耗散防热材料氧-乙炔烧蚀表面影响
  • 4.3.1 Al20Si/Gr 耗散防热材料的宏观烧蚀形貌
  • 4.3.2 Al20Si/Gr 耗散防热材料的烧蚀率
  • 4.3.3 Al20Si/Gr 耗散防热材料的微观烧蚀形貌及成分分析
  • 4.3.4 Al20Si/Gr 耗散防热材料氧-乙炔烧蚀后的表面物相
  • 4.4 Al20Si/Gr 耗散防热材料的氧-乙炔60s 二次烧蚀行为
  • 4.4.1 Al20Si/Gr 耗散防热材料的宏观烧蚀形貌
  • 4.4.2 Al20Si/Gr 耗散防热材料的烧蚀率
  • 4.4.3 Al20Si/Gr 耗散防热材料的微观烧蚀形貌及成分分析
  • 4.4.4 Al20Si/Gr 耗散防热材料氧-乙炔烧蚀后的表面物相
  • 4.5 发动机燃烧室烧蚀条件下Al20Si/Gr 耗散防热材料烧蚀行为
  • 4.6 Al20Si/Gr 耗散防热材料体积烧蚀效应
  • 4.6.1 氧-乙炔烧蚀条件下的体积烧蚀效应
  • 4.6.2 发动机燃烧室烧蚀条件下的体积烧蚀效应
  • 4.7 Al20Si/Gr 耗散防热材料耐烧蚀机理探索
  • 4.7.1 氧-乙炔烧蚀表面保护膜形成过程
  • 4.7.2 发动机燃烧室表面保护膜形成过程
  • 4.8 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢

    • 相关论文文献

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