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Gr/Al-Mg复合材料抗热震与抗烧蚀性能研究

姜鹤  
【摘要】:本文以复合材料抗烧蚀、抗热震为目标确定了复合材料组元,采用高纯石墨作为骨架,Al:Mg混合比为10:0、3:1、1:1、1:3和0:10的Al-Mg合金作为冷却剂,利用压力浸渗法制备了五种Gr/Al-Mg复合材料。利用光学显微镜、扫描电镜(SEM)、热膨胀分析仪、热导率测试仪等多种测试手段对复合材料的微观组织、力学及热物理性能进行了研究,并分析了相关的影响因素。利用氧乙炔烧蚀试验考察了复合材料的抗热震性及抗烧蚀性,建立了复合材料热传导模型和机械冲刷模型,理论上推导分析了复合材料冷却剂发汗量和所受冲刷量,进而分析了复合材料质量烧蚀率的影响因素。 五种石墨渗金属防热复合材料的抗弯强度和导热系数随冷却剂中Mg含量的增多呈近抛物线形式变化;弹性模量随冷却剂中镁含量的增加逐渐下降;Gr/Al的线膨胀系数最低,Gr/Mg的最高,冷却剂为合金的不单纯依赖于Al/Mg比例的变化。 根据国家军用标准GJB323A-96进行了氧乙炔火焰烧蚀试验,在加热和冷却过程中没有出现崩裂现象,复合材料表面也没有宏观裂纹产生,均具有良好的抗热震性。对热场和热应力场的数值模拟结果表明:加热过程中,前10s内,试样内部温度变化剧烈,2s时热应力达峰值。15s后基本转变为稳态温度场,热应力场逐渐减小。Gr/50Al-50Mg内的热应力场最大,且强度低;Gr/Al的热应力场最小,且材料强度最高,因此Gr/Al抗热震性最优。 复合材料的烧蚀产物为Al_2O_3、MgO或其混合物,烧蚀件剖面冷却剂的成分呈梯度分布。复合材料的质量烧蚀率在10-4g/s量级。随烧蚀时间的延长和冷却剂中铝镁含量比例逐步接近1:1,质量烧蚀率逐渐降低。本研究中的Gr/50Al-50Mg复合材料烧蚀30s的抗烧蚀性最强。复合材料的烧蚀机制为金属相的熔化蒸发相变、热化学烧蚀和陶瓷相的机械冲刷。针对三种烧蚀机制,对复合材料质量烧蚀率进行理论推导,结果表明:复合材料发汗量随冷却剂相变点的升高而减小;热化学烧蚀量由初始的速率控制逐步转为扩散控制;冲刷量随冷却剂熔点的升高和熔融液面粘度系数的增加而减小。理论推导结果与试验测量结果相吻合。


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