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76 不同工艺状态的玻璃布/酚醛复合材料防隔热特性研究 2015年4月 不同工艺状态的玻璃布/酚醛复合材料防隔热特性研究 罗礼平,那伟 (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:玻璃布/酚醛复合材料有较好的耐烧蚀和隔热特性,被广泛用于工业耐高温设备以及高速飞行的航天器防隔热设 计上,但是不同的成型工艺表现出的耐烧蚀及隔热特性却存在差异。将不同玻璃布厚度、不同缠绕工艺、不同固化方式、以及 有机纤维与玻璃纤维混编工艺获得的玻璃布/酚醛制品,取样进行风洞条件下的耐烧蚀、隔热性能试验,试验测量了各模型的 质量烧蚀率及背面温升,用于评估其相应的防隔热性能。试验结果显示倾斜缠绕工艺耐烧蚀及隔热性能最优,与理论预期一 致,可为工程应用提供参考。 关键词:玻璃布/酚醛;成型工艺;防隔热特性;试验研究 中图分类号:TB332;TQ327 文献标识码:A ——— 文章编号:10030999(2015)04007604 玻璃布/酚醛复合材料是一种轻质高强材料,它 既可做结构材料,又可做功能材料。它的最大特点 是能按照需要进行结构设计和材料设计,得到最佳 效果。因此,自这一材料问世以来发展迅速,已经广 泛应用于国防、宇航、船舶、汽车、化工和建材等各个 领域,成为工农业及国防科技上不可缺少的一种新 型材料。但其成型过程不同,导致制品性能存 在差异,特别是高温使用环境条件的差异尤其明显, 需要进行必要的试验研究。 玻璃布/酚醛复合材料制品成型过程中采用的 工艺不同,其高温下的耐烧蚀、隔热特性存在差异, 通过对缠绕和模压制品,以及不同的玻璃布厚度、不 同的缠绕工艺、不同的固化形式,以及在玻璃布中添 加适当有机纤维(以下简称改性玻璃布)获取的制 品取样进行了电弧风洞受热状态下的防隔热试验, 获取了其相应的耐烧蚀、隔热特性,在开展工程设计 时,可以根据应用条件,参考采用相应的成型工艺。 1耐烧蚀试验件制备 玻璃布/酚醛复合材料制品用于高速飞行器上 的典型成型工艺通常有玻璃碎布树脂模压成型和玻 璃布带树脂缠绕成型两大类,目前还出现了一种新 型高效防隔热材料,它是在玻璃布中添加适当的有 机纤维组分,利用有机纤维受热分解吸热的特性带 走外部传人结构的热量,同时通过热解气体阻塞热 量进一步往结构内部传递;而玻璃布带缠绕成型又 因过程工艺的差异而不同,常用有斜缠成型、重叠缠 绕成型及平行缠绕成型,且其缠绕成型后的固化方 式也有不同的种类,有进罐加压固化、进炉抽真空固 化和常压固化等,采用的玻璃布厚度也有差异;针对 各种过程工艺制备相应的试验件,用于电弧风洞中 考察其高温受热且有气流冲刷条件的耐烧蚀、隔热 特性。 对于使用环境苛刻的飞行器上用玻璃布/酚醛 复合材料制品,通常是弧形结构,因此试验件制备时 采用工程应用上的中型结构件弧形参数,取试件内 型面半径为452mm;为排除试验件尺寸带来的边界 效应,因此需要尽可能将试验件尺寸设计大一些,考 虑试验件为150× 150mm的弧形板,并于背面粘接 4mm的金属用于测量试验过程中的试验件背面温 度,用于分析各成型工艺制品的隔热特性。试验件 状态包括:布厚0.2ram重叠缠绕玻璃布/酚醛复合 材料常压固化试验件5件,布厚0.2mm斜缠绕玻璃 布/酚醛复合材料进罐加压固化试验件5件,布厚 0.2mm斜缠绕玻璃布/酚醛复合材料进炉抽真空固 化试验件5件,布厚0.1mm重叠缠绕玻璃布/酚醛 复合材料常压固化试验件5件,布厚0.imm斜缠绕 玻璃布/酚醛复合材料进罐加压固化试验件5件,模 压玻璃碎布/酚醛复合材料试验件5件,布厚0.2mm 平行缠绕玻璃布/酚醛复合材料常压固化试验件5 件,布厚0.2mm斜缠绕改性玻璃布/酚醛复合材料 进罐加压固化试验件5件。 2试验条件制定 为实现使用条件较苛刻的飞行器使用环境,试 验采用超声速自由射流试验技术,试验在电弧风洞 — 收稿日期:201411-18 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,liping409@sina.corn。 F] 灿 2015年第4期 玻璃钢/复合材料 77 中进行。在紧贴二维矩形喷管出口处,与气流 有一定攻角地放置各种状态的玻璃布/酚醛复合材 料试验件,试验布局示意见图1。模拟参数主要有 焓、热流等。 ArcqeaterJet Thermomet ̄ModelBracketTest&reaVacuum一 ̄paralus 图1试验装置 Fig.1Testapparatus 为了使得试验结果能够充分反映各种工艺状态 的玻璃布/酚醛复合材料耐烧蚀特性,试验条件的制 定应该具有代表性,试验条件下能够暴露各种工艺 状态下玻璃布/酚醛复合材料制品的特性。因此制 定的试验条件应尽可能到达玻璃纤维的融化点,并 有足够的受热时间,使得试验件的内部获得高温。 试验条件见表1。试验过程中状态有变化,由状态1 一状态2一状态3一状态4,理论预估试验过程中试 验件表面温度可达到900 ̄C,接近玻璃纤维的熔点, 可以暴露各种工艺状态下玻璃布/酚醛复合材料制 品的特性,试验总时间达到260s,能使得试验件内部 也能达到高温状态。 表1试验条件 Table1Testnnditions hre/l【J・kg~ q/kW・m一2∥ s 8oo 18oo 270 1oo0 20 30 1O0o 8o0 120 270 190 20 试验前后对模型照相,记录模型的有关数据,包 括尺寸、规格及表面状况,测量的模型参数包括模型 试验前后的质量和厚度,以及试验过程中模型表面 温度及背面温度等。采用精度为0.01g的电子天平 测量模型试验前后质量,利用精度0.01mm的数显 卡尺测量模型试验前后厚度,材料质量烧蚀率的表 示及计算方法为: 。 — mlm2 — mt了一 其中,m为试验前的质量;m为试验后的质量;t 为试验时间。 模型表面温度用Raytek单色红外测温仪测量, 其测量范围为450~2250 ̄C,响应波长为1.6m,响 应时间为2ms,精度为满量程的± 0.3%。模型背面 温度由粘贴的K型热电偶测得,该类型热电偶灵敏 度高、复现性好、抗氧化能力强,测温范围为0~ Ⅱ 1300 ̄C,试验中热电偶采用型等温线粘贴方式,尽 量减少热电偶丝的导热误差,同时对热电偶的参考 端温度进行了冰点法处理。 3试验结果及分析 所有试验件均进行表面温度的测量,测量的表 面温度约950oC,基本接近玻璃纤维的熔点,试验后 试件表面发白并存在少量熔融的玻璃珠痕迹,表明 试验结果符合理论预期。 布厚0.2mm重叠缠绕玻璃布/酚醛复合材料常 压固化试验件(简称1#件)试验后表面情况良好,表 面略有熔融迹象,烧蚀试验后表面无剥蚀、开裂情 况,仅有颜色变化,碳化也轻微,但试验后金属底板 与玻璃布/酚醛复合材料板脱开。试验件与金属底 板脱开,表明试验件的变形大。测量的平均质量烧 蚀率为0.051g/s,厚度基本没有变化,模型平均表面 — 温度为450950 ̄C,试验件平均背面温升为125 ̄C。 布厚0.2mm斜缠绕玻璃布/酚醛复合材料进罐 加压固化试验件(简称2#件)试验后表面比重叠缠 绕更为光滑、细腻,表面略有熔融痕迹,且试验后金 属底板与玻璃布/酚醛复合材料板未脱开,初步分析 原因是斜缠不容易变形且不容易开裂,相比较而言, 重叠缠不容易应力释放。从烧蚀数据看,试验件测 量的平均质量烧蚀率为0.033g/s,测量的试验件平 均表面温度为450~930%,测量的试验件平均背面 ℃ 温升为115。 布厚0.2mm斜缠绕玻璃布/酚醛复合材料进炉 抽真空固化试验件(简称3#件)试验后状况同斜缠 进罐固化,烧蚀试验后试验件状况良好。抽真空固 化亦有利于实现布层间的结合力更强,同样采用斜 缠绕工艺有利于避免布层方向与高温气流的冲刷方 向一致,测量的试验件平均质量烧蚀率为0.036g/s, 测量的试验件平均表面温度为450~933 ̄C,测量的 ℃ 试验件平均背面温升为113。 布厚0.1mm重叠缠绕玻璃布/酚醛复合材料常 压固化试验件(简称4#件)试验中表面有质量流失 现象出现,试验后表面有裂纹。烧蚀试验后试验件 表面状态差,分析原因可能是采用0.1mm厚的玻璃 布对布层间结合力有影响。从烧蚀试验数据来看, 测量试验件平均质量烧蚀率为0.061g/s,测量的试 lF 畸 78 不同工艺状态的玻璃布/酚醛复合材料防隔热特性研究 2015年4月 —℃ 验件平均表面温度为450921,测量的试验件平 均背面温升为139cI=。 布厚0.1mm斜缠绕玻璃布/酚醛复合材料进罐 加压固化试验件(简称5#件)试验后表面情况良好, 无剥蚀,无开裂。理论分析认为采用加压固化及斜 缠绕工艺能有效提高玻璃布/酚醛复合材料的耐烧 蚀特性。从烧蚀试验数据看,测量试验件平均质量 烧蚀率为0.034g/s,测量的试验件平均表面温度为— 452921 ̄C,测量的试验件平均背面温升为115"C。 模压玻璃碎布/酚醛复合材料试验件(简称6# 件)试验后表面情况较为粗糙,无剥蚀,无开裂。试 验件不存在布层方向与气流冲刷方向等因素的影 响,试验件内部各个方向性能较为均匀,从烧蚀试验 数据看,测量试验件平均质量烧蚀率为0.076g/s,模 压成型中树脂含量高一些,受热时树脂易分解,表现 为质量损失率略高。测量的试验件平均表面温度为— ℃ 452928oC,测量的试验件平均背面温升为165。 布厚0.2mm平行缠绕玻璃布/酚醛复合材料常 压固化试验件(简称7#件)试验中表面有流失现象, 试验后表面有裂纹和轻微剥蚀。理论分析认为平行 缠绕工艺及常温固化方式都可能影响玻璃布/酚醛 复合材料的耐烧蚀特性。从烧蚀试验数据看,测量 试验件平均质量烧蚀率为0.065:g/s,测量的试验件 平均表面温度为450~930 ̄C,测量的试验件平均背 面温升为146oC。 布厚0.2mm斜缠绕改性玻璃布/酚醛复合材料 进炉抽真空固化试验件(简称8#件)试验后状况较 差,试验过程中试验件表面发红,纤维迅速熔融,呈 碎纸屑状沿气流方向流动并逐渐吹掉,试验件前部 表面形成烧蚀坑,表面有明显的质量损失及厚度变 化。测量的试验件平均质量烧蚀率为0.147g/s,测 — 量的试验件平均表面温度为4501150 ̄C,测量的试 验件平均背面温升为133cI=。 在高速飞行器技术领域,表征复合材料制品受 热状态下的耐烧蚀特性,最直观的表征是其制品在 遭受高温热气流冲刷下是否存在异常现象,如开裂、 剥蚀等,如使用过程中存在剥蚀情况,带来的质量损 失可能不受控,将导致严重后果,定量地可采用质量 烧蚀率进行描述。 对于隔热特性,通常采用测量背面温升来进行 定量评估,在相同的表面受热状态条件下,背面温升 小的材料隔热性能更优。通过试验获取了上述8种 工程上较为常用的玻璃布/酚醛复合材料的防隔热 特性,将其质量烧蚀率及背面温升情况统一绘制于 图2中进行比较。从表观现象及定量分析获取的结 果,倾斜缠绕玻璃布/酚醛复合材料制品在高温受热 状态下更易于应力释放,有利于保证制品受热下变 形量小、不开裂,其在试验条件下的质量损失率最 少;同时因缠绕角度的差异,不同工艺布层与气流的 夹角不同,表现出抗气流冲刷剪切的能力不同,理论 分析倾斜缠绕工艺有更好的抗气流剪切特性,试验 结果与理论预估一致;试验结果也显示,玻璃布厚度 对重叠缠绕玻璃布/酚醛复合材料制品的耐烧蚀特 性有影响,0.2mm布厚耐烧蚀特性优于0.1mm布 厚,分析可能是布厚对布层间结合力有影响。试验 中测量的各试验件背面温度变化可直观用于评估各 工艺状态玻璃布/酚醛复合材料的隔热特性,从试验 结果看,斜缠绕工艺试验件的背面温度最低,表现出 最优的隔热特性,其次是重叠缠绕,在本试验条件 下,改性玻璃布/酚醛没有发挥其高效隔热的特性, 因在试验条件下的质量损失率较大,且表观的厚度 变化也高于其他状态,因此表现为有效隔热厚度的 减薄。 图2几种常用玻璃布/酚醛制品的质量烧蚀率 及背面温升比较(1群一8#) — — Fig.2ThemasslossandcoolsidetemperatureofseveFa[ variableglasscloth/phenolicsamples(1#一8#) 4结论 在电弧风洞中高温热气流冲刷条件下,工程上 常用工艺状态的玻璃布/酚醛复合材料制品防隔热 特性研究得到以下初步结论: (1)在本研究试验条件下,也就是达到玻璃纤 维熔融条件时,斜缠绕玻璃布/酚醛制品的质量烧蚀 率最小,试验后的表面状况最优,表现出较好的耐烧 蚀特性,其次是重叠缠绕玻璃布/酚醛;而改性玻璃 布/酚醛制品的质量烧蚀率最大,试验后的表面状况 2015年第4期 玻璃钢/复合材料 79 也最差;平行缠绕玻璃布/酚醛制品的耐烧蚀性也较 差,试验条件下表面出现剥蚀、开裂现象; (2)从试验中测量的背面温度看,本研究试验 条件下,倾斜缠绕玻璃布/酚醛制品的背面温升最 少,表现出最优的隔热特性,其次是重叠缠绕玻璃 布/酚醛;因在试验条件下,改性玻璃布/酚醛的质量 烧蚀率最大,表现为有效隔热厚度的减薄,因而其背 面温升较高,在试验条件下没有达到其高效隔热的 效果; (3)玻璃布厚度对重叠缠绕玻璃布/酚醛制品 的耐烧蚀特性有影响,布厚度0.2mm表面烧蚀状况 良好,而布厚度0.1mm烧蚀后表面出现剥蚀、开裂; 布厚度对斜缠绕玻璃布/酚醛制品的耐烧蚀特性影 响不明显。 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、I出版社,1992.67. 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ABLATIONANDINSULATIONBEHAVlURSUFGLASSCLoTH/PHEN0LICLAMINATES WITHVARIABLEPROCESSINGTECHNIQUES — LUOLiping,NAWei (HypersonicVehicleResearchCenterofThermalProtectionandInsulation, — BeijingAerospaceResearchInstituteofLongmarchAerocraft,Beijing100076,China) — Abstract:Glasscloth/phenoliclaminatesarewidelyusedinindustrialhightemperatureequipmentsand — thermalprotectionsystemsofvarioushilghspeedspacevehiclesduetotheirgoodablationresistantandinsulationbe- haviors.However,itexhibitssubstantialdifferenceswhentheglasscloth/phenolicproductsweremadefromseveral variableprocessingtechniques/factors,e.g.,thicknessoftheglassfiberfabric,fiberwindingtechnique,curing — scheduleandaddingorganicfiberintotheglasscloth.Inordertocomparetheirablationresistantandinsulation — properties,theglasscloth/phenolicsampleschoseninthisstudyweretestedusinganarc-jetapparatus,themass lossandcool--sidetemperatureofthesamplesgaugedinthetestwereusedtoestimatetheirablation--resistantandin.- sulationbehaviors.ThetestindicatesthatthetiltwindingFRPisbettertotheothers,consistentwiththeestimation, whoseresuhsservedasthereferencebasisforengineeringapplications. — Keywords:glasscloth/phenolic;processingtechnique;ablationresistantandinsulationprope ̄y;arc-jettest
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