- 文档大小:311.03 KB
- 文档格式:pdf
- 约 4页
- 2022-03-26 发布
- 举报
已阅读完毕,您还可以下载文档进行保存
- 1、本文档共4页,内容下载后可编辑。
- 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,可选择认领。
- 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细先通过免费阅读内容等途径辨别内容交易风险。如存在严重挂羊头卖狗肉之情形,可联系本站下载客服投诉处理。
玻璃钢复合材料受热状态物性参数变化研究 20l5年2月 玻璃钢复合材料受热状态物性参数变化研究 罗礼平,张利嵩 (北京航天长征飞行器研究所,高超声速飞行器防隔热技术中心,北京100076) 摘要:玻璃钢复合材料主要成分为玻璃纤维和树脂,其制品在受热状态下会发生复杂的物理化学变化.相应的物性参数 也随之会有较大变化,进而影响材料结构内部的温度分布;对其受热状态下的变化过程进行研究,给出相应的物性参数变化模 型;制备玻璃钢试样进行风洞条件下的烧蚀试验,测量试样背面温升,与应用物性参数变化模型进行的仿真计算结果较为吻 合,表明模型构建符合工程实际。 关键词:玻璃钢;受热状态;物性参数;模型构建 中图分类号:TB332;TQ327 文献标识码:A ——— 文章编号:10030999(2015)02006004 玻璃钢是以玻璃纤维及其制品为增强材料,以 热固性或热塑性树脂为基体,通过一定的成型工艺 而制成的一种结构物,其学名为玻璃纤维增强塑料,“” 俗称玻璃钢,是早期飞行器主要采用的功能性防 “” 隔热材料,其研制成功解决了当时两弹一机的一 “”个主要障碍,即热障¨ j,目前依然是高速飞行器 防隔热设计上大量使用的功能复合材料。其增强成 分玻璃纤维在1000 ̄C左右开始软化熔融,其基体有 机树脂在400oC以上开始有比较明显的热解反 应,因此在高温受热状态下,玻璃钢复合材料将发 生复杂的物理化学变化,材料结构内部的变化导致 材料的热物性参数(密度、热传导系数)也发生较大 变化,这给工程设计上预测玻璃钢结构的内部温度 变化情况带来较大的困难,特别是热传导系数参数 是影响工程结构受热状态下的内部温度变化的关键 参数,要在理论上获取结构受热状态下的内部温度 场变化,需要准确获取结构材料高温受热条件下的 热传导系数变化情况。因此工程应用上迫切需要获 取玻璃钢制品高温受热状态下物性参数的变化情 况,从而有利于工程设计的进一步精细化,在开展工 程方案设计时准确给出结构所需要的防热、隔热层 厚度,从而实现工程结构的轻质化。 玻璃钢制品高温受热状态的变化,首先是树脂 的热解碳化,随着使用环境温度的进一步升高,还将 出现熔融和烧蚀,从最初低温状态下的原始层状态 至原始区+热解区,并进而出现烧蚀熔融区+碳化区 +热解区+原始区J,其变化进程有相应匹配的热 物性参数。目前对玻璃钢制品高温受热状态下的物 理变化过程开展了一些研究,但是对于其相应的物 性参数变化理论研究较少,文献[6]是此方面研究 可查询到的比较系统和深入的公开资料,也可看出 理论研究的复杂性,工程应用上无法实现。目前较 多的研究是试验测试方面J,对影响玻璃钢制品受 热后内部温度分布的关键参数热传导系数进行测 试,试验测试条件为固定的温度和压力条件,而工程 应用条件变化多样,基本都是瞬态条件,玻璃钢复合 材料高温受热条件下的物理化学过程以及相应的物 性参数(密度、热传导系数)变化与应用条件紧密相 关。本研究工作建立在大量的工程试验数据分析基 础上,通过对玻璃钢受热状态变化机理的研究,给出 了相应的物性参数变化模型及一套匹配的物性参 数,将之用于仿真设计计算得到的玻璃钢复合材料 结构内部及背面温度结果与试验测温吻合较好,表 明构建于物理化学变化机理基础上的物性参数变化 模型以及回归出的一套匹配数据符合工程实际。 1玻璃钢受热下的物理模型 玻璃钢制品在受热状态下首先是树脂热解,逐 渐形成如图1所示的物理变化模型。对于树脂热解 变化过程,国内外研究认为比较符合的数学模型为 Arrhenius表达式,Arrhenius公式即树脂热解方 程,为:dm :一m。 f1K而E (1) —— 一moII^。e Ll at;\tlZ o, 式中,E、尺、Ko、,z为热解动力学的常数;m为完 全热解后的质量;m。为初始质量;T为温度;t为时 — 收稿日期:2014-0923 作者简介:罗礼平(1975),男,高级工程师,硕士,主要从事结构防隔热设计研究。 FRP/CM2015.No.2 2015年第2期 玻璃钢/复合材料 61 间;m为当前质量。 Arrhenius公式给出了玻璃钢受热状态下的质量 变化表达式,也就给出了玻璃钢制品受热状态下的密 度变化。式中的几个热解动力学常数需要通过试验 测量获取,通过测量树脂的热失重数据,整理分析回 归出式中的常数,这方面国内外有开展研究 。 对于飞行器防隔热设计上重要的物性参数,也就是 防隔热材料的重要特性指标热传导系数,需要寻求 其与玻璃钢复合材料物理变化进程匹配的表达式, 也就是与式(1)质量变化相匹配的表达式。 ; i缝地屋blation。fieldl— —— 1 图1玻璃钢制品受热物理变化模型 Fig.1ModelregardingthechangesinFRPSphysical propertiesunderheatingconditions 2玻璃钢制品受热下的热物理性能理论研究 根据玻璃钢制品受热下物理变化模型,玻璃钢 制品在高温受热过程中形成的碳化层和热解区属于 多微孔复合材料。对于多微孔复合材料的热物理性 能研究比较复杂,根据国外文献中的阐述,在一个 多孔的结构体中,总热流Q通常由通过气体介质的 热流量Q、固体传导热流量Q以及辐射热流量 Q舶组成,其中通过气体介质的热流量Q由对流 热流量和传导热流量两部分组成。 Q=Q+Qs+QR。d 相应于以上的阐述,下面的公式也是有效的,采 用综合热传导系数来反映多微孔材料的内部传热: A=A+A+Ad (2) 在一个好的隔热材料中,A、A以及A删都应 该尽可能的小。 对于通过气体介质的热传递,以下公式适用: 1 ‰ AGaso=。C。JD・f・ (3) 其中,A。为气体热传导系数;C为定常体积 下的比热容;P。。为密度;z为气体分子的平均自 由程;为气体分子平均速度。 对于无机物、非金属固态物质的热传导系数,以 下公式较适用: 】 — AsM=。。。fP。PP (4) j 其中,A为固态物质的热传导系数;c为比热 容(基于体积);为声速;lp为声子(晶体点阵振动 能的量子)的平均自由程;P为声子的密度。 在粒状材料内的辐射能量传递可以按照在一定 平均自由程范围内通过光子进行热传递。采用如下 公式:l6 ,z2..T3… I ̄Rad~ ‘ 3 5) 其中,为史帝芬一玻尔兹曼常数;n为平均折 射率;e(为特定的衰减系数;P为密度。 根据上述理论研究分析,要构建内部多微孔材 料理论上的内部综合热传导系数是很复杂且较为困 难的,目前试验测量也很困难,尤其在受热条件下的 热物性参数是动态变化的过程量,与受热过程紧密 相关,因此必须寻求工程上的解决方案。 3构建玻璃钢制品受热下物性参数变化模型 玻璃钢制品高温下内部的物理过程:首先是使 用中材料表面温度逐步升高,达到树脂基分解温度 时,树脂基复合材料开始分解,并形成了多微孔材料 体系,随着树脂的进一步分解,将在材料表面区域逐 步形成碳化层、热解区和原始材料层。在热解剧烈 的时间段,热解气体由热解区流经碳化区排放到材 料表面,热解气体流经高温的碳化区时形成对碳化 区的降温和热阻塞效应,使得碳化区的综合热传导 系数较低,热解区本身因有热解吸热、热解气体热阻 塞等效应,其综合热传导系数会更低,因此使用中树 脂基材料内部热解量较大时,碳化区及热解区综合 热传导系数都会处于较低的量级,表面的高温也逐 步向材料内部推移;但是使用后期随着材料表面温 度的下降,材料内部温度甚至出现高于表面温度,此 时材料内部的热解量也减少,碳化区内流经的热解 气体量也很少甚至没有,此时碳化区没有热解气体 的降温和阻塞作用,碳化区的热传导系数会较大,使 用中后期碳化区的高热传导系数能更好地将前期传 人材料内部的热量快速输送到材料外部,起到降低 F ̄/CM2015:No,2 62 玻璃钢复合材料受热状态物性参数变化研究 内部温度的功效。 以上对玻璃钢制品高温下内部发生的物理现象 的描述,工程上构建一套匹配的材料综合热传导系 数如下: A= 1.0w,/m・K,热解量少时碳化区导热系数 … 0.3w/m・K,热解量大时碳化区导热系数 0.03W/m.K,热解区导热系数 【0) 常温下实测值,原始层导热系数 4试验验证 为了验证反映玻璃钢复合材料高温受热状态下 物理化学变化的Arrhenius表达式(1)以及研究构建 的与之相匹配的综合热传导系数变化模型(6)的合 理正确性,在高温风洞设备上开展了试验验证。试 验件为玻璃布/酚醛复合材料平板结构,背面粘接金 属底板,以利于测量背面冷端的温度变化。根据传 热理论分析,在表面热端受热条件和结构厚度已知 的情况下,影响结构背面冷端温度变化的主要因素 是结构材料的热物性参数(密度、热传导系数),因 此试验中通过测量试验件背面冷端的温度变化,可 以评估表征玻璃钢复合材料高温受热状态下物理化 学变化的Arrhenius表达式(1)以及构建的与之相匹 配的综合热传导系数变化模型(6)及数据的合理可 行性。 为了使玻璃钢制品受热发生剧烈变化,达到工 程应用中出现的热解、碳化、熔融状态,制定的试验 条件应尽可能到达玻璃纤维的融化点,并有足够的 受热时问,从而使试验件的内部获得高温。试验采 用超声速射流试验技术L12.Bj,试验系统示意见图2 所示。试验时在喷管出口附近放置模型,模型固定 在支架上,模拟参数主要有总焓、热流、压力等¨ 。 图2试验装置 Fig.2Testapparatus 试验条件见表1所示,试验由3个定态条件连 接而成,试验总时间为260s,试验件为平板试验件, 试验过程中采取了较好的隔热措施,从而实现一维 热传导的物理过程,保证在热面受热条件及结构厚 度一定的情况下影响试验件背面冷端温度的因素仅 为结构的热物性参数(主要是密度和热传导系数), FRP/CM2015.No。2 试验中进行背面冷端温度的测量。 同时根据试验件表面受热条件(表1)及试验件 结构进行理论仿真分析,获取试验件背面冷端的温 度变化。仿真方法之一(简称改进前)是采用传统 的忽略玻璃钢复合材料内部物理化学变化和忽略热 物性参数变化,即认为试验件结构受热下不发生变 化,仿真计算时热物性参数(密度、热传导系数、比热 容)取常温时的实测值;仿真方法之二(简称改进 后)是采用本文研究构建的考虑其内部物理化学变 化和热物性参数变化的模型及数据,即应用表达式 (1)和模型(6)及数据。将两种仿真方法获得的试 验件背面冷端温度变化结果与试验测量结果进行了 比较,改进后的仿真方法得到的结果与试验测量结 果吻合较好,而改进前的仿真方法得到的结果与真 实情况相差甚远,比较情况见图3所示,表明Arrhe. nius表达式(1)和构建的与之匹配的物性参数变化 模型(6)及数据较符合工程实际。 表1试验条件 Table1Testcnnditinns 270 1000 l2O 8oo 1800 l0oo 30 40 49 30 l5 l9O 图3试验测量背温与仿真计算结果的比较 — Fig.3Comparisonofresultsfromthecoolsidetemperature inarc-jettestandsimulatedcalculation 5结 论 (1)玻璃钢制品在受热状态下会发生复杂的物 理化学变化,并逐渐由最初的原始状态变化为原始 区+热解区,在高热状态下甚至还可能出现碳化区和 烧蚀熔融的液态层,物性参数也将随之发生较大的 变化; p\2rH霍&III岂一8u 2015年第2期 玻璃钢/复合材料 63 (2)分析玻璃钢制品受热状态下的变化机理, 构建出与物理变化进程一致的物性参数变化模型, 并给出一套匹配的物性参数; (3)采用构建的模型及参数修改仿真计算方 法,仿真计算的背面温度与试验测量结果较为吻合, 表明构建的物性参数模型及回归的数据较符合工程 实际。 参考文献 [1]翁祖祺,陈博,张长发.中国玻璃钢工业大全[M].北京:国防 工业出版社,1992. — [2]于翘,等.材料工艺[M].北京:宇航出版社,1989.214289. [3]姜贵庆,刘连元,等.高速气流传热与热防护[M].北京:国防 工业出版社,2003.77-92. [4]张友华.碳化复合材料导热系数测量试验研究[D].国防科学技 术大学硕士学位论文,2007. [5]王国雄.飞行器技术[M].北京:宇航出版社,1993.537-546. — [6]HansKatzer,JohannWeis,WackerChemicGmbH.Microporous ThermalInsulation:Theory,Properties,Applications[C].Kempten, Germany,May12,1996. [7]马鹏飞,刘连元.飞行器设计[M].北京:宇航出版社,1999. — 119122. [8]黄娜,刘亮,王晓叶.热重质谱联用技术对酚醛树脂热解行为及 — 动力学研究[J].宇航材料工艺,2012,42(2):99102. [9]翁之望,粟智.回归分析在化学动力学实验数据处理中的应用 [J].福州大学学报(自然科学版),1999,(1):122-125. [1O]罗礼平,张利嵩,尚龙,华小玲.有机纤维与酚醛树脂的相似性 — 及应用研究[J].宇航材料工艺,2014,(5):1315. [11]王晓叶,刘亮,冯志海.酚醛树脂热解性能研究[J].武汉理工 — 大学学报,2009,(21):8790. [12]Anon.Hype ̄hermMTestFacility[J].GianniniScientificCorp, — SantanaDivision,Bulletin15・009,1965. — 『13]Fisher.FreeJetCalibrationTestsConductedontheAEDC5一Mega — wattArcHeaterTestUnit[c].CornellAeronauticalLaborator y, NewYork,1966. [14]Taylor.ATransientReactionKineticsAnalysisofAblationThrouIgh AerodynamicHeating[J].GeneralDynamicsConvairRepo ̄ NumberGDC.ERR.AN一1029.1966. INFLUENCEOFHEATINGONTHEPHYSICALPRoPERTIES Ⅱ oFF;ERREINFoRCEDPLASTICS — — LUOLiping,ZHANGLisong (HypersonicVehicleResearchCenterofThermalProtectionandInsulation,BeijingAerospace — ResearchinstituteofLongMarchAerocraft,Beijing100076,China) — Abstract:Fiberreinforcedplastics(FRP)consistoftwomajorcomponents:glassfiberandorganicresin.Sig — nificantchangesinFRPSphysicalpropertiescanbefoundasitgoesthroughaseriesofphysicalandchemicalevo lutionunderheatingconditions,whichwouldfurtherinfluencetheinternaltemperaturedistributionofthemateria1. ModelsregardingthechangesinFRPSphysicalpropertiescanbesetupbystudyingthisprocessunderheating.U. — — singFRPsamples,thecoolsidetemperaturewasrecordedduringarcjettests,whichcanbefurthercomparedwith theresultsofthesimulatedcalculationsfromthemode1.Sincethecalculatedandthearc-jetresultsmatcheachother verywell,thismodelissuggestedtobereliablefortheengineeringreality. Keywords:fiberreinforcedplastics;heatingconditions;physicalproperties;modelsetup=  ̄RP/CM2o,s!No2
您可能关注的文档
- “离位”增韧复合材料准静态压入损伤特性研究.pdf
- “神舟七号”飞船舱外航天服防护头盔组件的研制.pdf
- “十二五”复合材料发展重点和方向解读.pdf
- “珠串”堆叠超结构的介孔铁酸锌的制备与表征.pdf
- (001)应变对正交相Ca2 P0.25 Si0.75能带结构及光学性质的影响.pdf
- 0.8设计系数用X80管线钢在近中性pH溶液中的应力腐蚀开裂行为.pdf
- 0.20mm CGO硅钢高温退火Goss晶粒起源及异常长大行为研究.pdf
- 0Cr16Ni5Mo低碳马氏体不锈钢的热变形行为及其热加工图.pdf
- 0Cr17Ni4Cu4Nb钢制螺钉断裂原因分析.pdf
- 1.5MW风机叶片模具加热工艺研究与技术创新.pdf
- 1.5MW风机叶片VARI工艺模拟分析及验证.pdf
- 2.5维机织复合材料低速冲击性能研究.pdf
- 2.25Cr-1Mo钢后续热处理中的磷偏聚行为.pdf
- 2A50锻铝三点弯曲试验与高分辨率CT成像分析.pdf
- 2A12与2A11铝合金超声波焊接工艺与组织研究.pdf
- 2MW风机复合材料叶片材料及工艺研究.pdf
- 3Cr2W8V模具钢激光表面相变硬化层性能的研究.pdf
- 3D打印技术及先进应用研究进展.pdf
- 3D打印技术研究现状和关键技术.pdf
- 5%鱼藤酮悬浮剂的研制.pdf
- 大叔大爷
- 该用户很懒,什么也没介绍
相关文档
- “离位”增韧复合材料准静态压入损伤特性研究.pdf2021-11-235页
- “神舟七号”飞船舱外航天服防护头盔组件的研制.pdf2021-11-233页
- “十二五”复合材料发展重点和方向解读.pdf2021-11-232页
- “珠串”堆叠超结构的介孔铁酸锌的制备与表征.pdf2021-11-235页
- (001)应变对正交相Ca2 P0.25 Si0.75能带结构及光学性质的影响.pdf2021-11-236页
- 0.8设计系数用X80管线钢在近中性pH溶液中的应力腐蚀开裂行为.pdf2021-11-237页
- 0.20mm CGO硅钢高温退火Goss晶粒起源及异常长大行为研究.pdf2021-11-237页