低密度碳/酚醛复合材料烧蚀条件下的热—化学耦合分析
发布时间：2021-06-30 12:44
近年来,为了适应飞行器轻量化、低成本的趋势以及对深空探测的需求,航天领域对轻质烧蚀材料提出了迫切需求。PICA（Phenolic Impregnated Carbon Ablator）复合材料作为新一代低密度碳/酚醛材料,其密度是传统碳/酚醛复合材料的1/5左右,并且具有非常优异的防/隔热性能和烧蚀性能,多次被成功应用于大气再入和星际探索飞行器的热防护结构材料。在气动热作用下,PICA复合材料会发生激烈的物理化学反应甚至烧蚀现象,当温度升高后首先酚醛树脂基体发生热解反应,热解气体从材料内部引射到边界层引起热阻塞效应以及表面烧蚀后退现象等,因此有必要对轻质碳酚醛复合材料酚醛树脂基体热解机制、烧蚀机理进行研究,进而建立材料的热响应分析模型预报材料防/隔热性能,对热防护结构的设计与评价具有非常重要的作用。首先,对轻质碳/酚醛复合材料和酚醛树脂基体进行热失重实验,利用峰值分析法对微分失重曲线进行分析获得了材料的热解动力学模型。并从质量损失机理和能量损失机理两方面对轻质碳/酚醛复合材料在气动热环境下的烧蚀机理进行了分析。其次,基于轻质碳/酚醛复合材料的烧蚀防隔热机理及材料热解动力学模型,建立宏观...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 树脂基复合材料的烧蚀机理
1.2.2 烧蚀实验分析
1.2.3 多物理场复杂环境的耦合计算
1.3 本文主要研究内容
第2章 低密度碳/酚醛复合材料的热解动力学与烧蚀机理
2.1 引言
2.2 热失重及热解动力学分析
2.2.1 热失重实验
2.2.2 热解动力学模型
2.3 烧蚀机理
2.3.1 质量损失机理
2.3.2 能量损失机理
2.4 本章小结
第3章 低密度碳/酚醛复合材料体积平均化的热-化学耦合模型
3.1 引言
3.2 控制微分方程的推导
3.2.1 质量守恒方程
3.2.2 动量守恒方程
3.2.3 能量守恒方程
3.3 边界条件
3.3.1 表面能量平衡方程
3.3.2 表面质量平衡方程
3.4 本章小结
第4章 低密度碳/酚醛复合材料烧蚀实验及分析
4.1 引言
4.2 实验材料及方法介绍
4.3 实验设备与过程
4.4 实验结果与分析
4.4.1 试样形貌分析
4.4.2 温度场分析
4.4.3 位移场分析
4.5 本章小结
第5章 基于COMSOL的轻质碳/酚醛复合材料热-化学耦合计算
5.1 引言
5.2 低密度碳/酚醛复合材料基本性能参数
5.3 多物理场耦合计算模型
5.4 计算结果与讨论
5.4.1 温度场分析
5.4.2 热解程度分析
5.4.3 气体压力场
5.4.4 热解气体速度分析
5.4.5 体积烧蚀条件下各吸热机制对总吸热能力的贡献
5.5 本章总结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]酚醛浸渍碳烧蚀体（PICA）的制备、结构及性能[J]. 贾献峰,刘旭华,乔文明,凌立成,龙东辉. 宇航材料工艺. 2016(01)
[2]高硅氧/酚醛复合材料热-力-化学多物理场耦合计算[J]. 陈海龙,方国东,李林杰,时圣波,梁军. 复合材料学报. 2014(03)
[3]C/C复合材料的热化学烧蚀和温度场耦合分析[J]. 杨德军,李旭东. 复合材料学报. 2013(02)
[4]超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究[J]. 吴大方,潘兵,高镇同,牟朦,朱林,王岳武. 实验力学. 2012(03)
[5]热重质谱联用技术对酚醛树脂热解行为及动力学研究[J]. 黄娜,刘亮,王晓叶. 宇航材料工艺. 2012(02)
[6]绝热材料动态烧蚀试验方法[J]. 孙翔宇,张炜,胡淑芳,王德,陈思,熊红超. 推进技术. 2011(04)
[7]1200℃高温热环境下全场变形的非接触光学测量方法研究[J]. 潘兵,吴大方,高镇同,王岳武. 强度与环境. 2011(01)
[8]轻质防/隔热功能材料现状与发展[J]. 胡良全. 功能材料信息. 2010(02)
[9]低密度材料防热机理及热响应数值模拟[J]. 王淑华,张亮,张友华. 宇航材料工艺. 2009(05)
[10]基于RTR技术的绝热层烧蚀实时测量试验[J]. 王希亮,何国强,李江,陈剑,刘洋. 固体火箭技术. 2006(05)
博士论文
[1]高硅氧/酚醛复合材料的烧蚀机理及热—力学性能研究[D]. 时圣波.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]酚醛树脂的热解研究[D]. 马伟.重庆大学 2007
本文编号：3257766
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 树脂基复合材料的烧蚀机理
1.2.2 烧蚀实验分析
1.2.3 多物理场复杂环境的耦合计算
1.3 本文主要研究内容
第2章 低密度碳/酚醛复合材料的热解动力学与烧蚀机理
2.1 引言
2.2 热失重及热解动力学分析
2.2.1 热失重实验
2.2.2 热解动力学模型
2.3 烧蚀机理
2.3.1 质量损失机理
2.3.2 能量损失机理
2.4 本章小结
第3章 低密度碳/酚醛复合材料体积平均化的热-化学耦合模型
3.1 引言
3.2 控制微分方程的推导
3.2.1 质量守恒方程
3.2.2 动量守恒方程
3.2.3 能量守恒方程
3.3 边界条件
3.3.1 表面能量平衡方程
3.3.2 表面质量平衡方程
3.4 本章小结
第4章 低密度碳/酚醛复合材料烧蚀实验及分析
4.1 引言
4.2 实验材料及方法介绍
4.3 实验设备与过程
4.4 实验结果与分析
4.4.1 试样形貌分析
4.4.2 温度场分析
4.4.3 位移场分析
4.5 本章小结
第5章 基于COMSOL的轻质碳/酚醛复合材料热-化学耦合计算
5.1 引言
5.2 低密度碳/酚醛复合材料基本性能参数
5.3 多物理场耦合计算模型
5.4 计算结果与讨论
5.4.1 温度场分析
5.4.2 热解程度分析
5.4.3 气体压力场
5.4.4 热解气体速度分析
5.4.5 体积烧蚀条件下各吸热机制对总吸热能力的贡献
5.5 本章总结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]酚醛浸渍碳烧蚀体（PICA）的制备、结构及性能[J]. 贾献峰,刘旭华,乔文明,凌立成,龙东辉. 宇航材料工艺. 2016(01)
[2]高硅氧/酚醛复合材料热-力-化学多物理场耦合计算[J]. 陈海龙,方国东,李林杰,时圣波,梁军. 复合材料学报. 2014(03)
[3]C/C复合材料的热化学烧蚀和温度场耦合分析[J]. 杨德军,李旭东. 复合材料学报. 2013(02)
[4]超高温、大热流、非线性气动热环境试验模拟及测试技术研究[J]. 吴大方,潘兵,高镇同,牟朦,朱林,王岳武. 实验力学. 2012(03)
[5]热重质谱联用技术对酚醛树脂热解行为及动力学研究[J]. 黄娜,刘亮,王晓叶. 宇航材料工艺. 2012(02)
[6]绝热材料动态烧蚀试验方法[J]. 孙翔宇,张炜,胡淑芳,王德,陈思,熊红超. 推进技术. 2011(04)
[7]1200℃高温热环境下全场变形的非接触光学测量方法研究[J]. 潘兵,吴大方,高镇同,王岳武. 强度与环境. 2011(01)
[8]轻质防/隔热功能材料现状与发展[J]. 胡良全. 功能材料信息. 2010(02)
[9]低密度材料防热机理及热响应数值模拟[J]. 王淑华,张亮,张友华. 宇航材料工艺. 2009(05)
[10]基于RTR技术的绝热层烧蚀实时测量试验[J]. 王希亮,何国强,李江,陈剑,刘洋. 固体火箭技术. 2006(05)
博士论文
[1]高硅氧/酚醛复合材料的烧蚀机理及热—力学性能研究[D]. 时圣波.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]酚醛树脂的热解研究[D]. 马伟.重庆大学 2007
本文编号：3257766
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