玻璃钢复合材料受热状态物性参数变化研究.pdf

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 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
大叔大爷
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