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CTaCC复合材料的烧蚀性能研究

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CTaCC复合材料的烧蚀性能研究

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Ta03在1450K以上温度很快汽化(Ta309),则TaC+以上)以下)其中,6为氧分子和氧原子。在速率控制区,TaC和C的氧化质量烧蚀率均浓度,化为边界层内的压力,通过气体边界层求得。可采用下式在扩散控制区,总的氧化质量烧蚀率为m=771石(扩散)其中,及为通用气体常数,及w为壁面上平均气体分子量,为氧的分子量,为边界层内的压力,活化能£和知随材料的不同而变。  在升华速率控制区,由分

  Ta03在1450K以上温度很快汽化(Ta309),则TaC+以上)以下)其中,6为氧分子和氧原子。

  在速率控制区,TaC和C的氧化质量烧蚀率均浓度,化为边界层内的压力,通过气体边界层求得。

  可采用下式在扩散控制区,总的氧化质量烧蚀率为m=771石(扩散)其中,及为通用气体常数,及w为壁面上平均气体分子量,为氧的分子量,为边界层内的压力,活化能£和知随材料的不同而变。

  在升华速率控制区,由分子运动理论得碳的升华率为在升华扩散控制区,碳的升华烧蚀率由加热流场决定。

  2.2蒸发与剥蚀机理由于Ta的氧化物、碳化物的熔点低:Ta3 670K),不论是Ta的氧化物或是TaC,在烧蚀过程中,除了上述的化学反应外,当表面温度达到一定值时,就液化,然后被吹走或蒸发。

  根据C/TaC/C复合材料的物理化学性质及烧蚀环境推测其烧蚀机理:一层一层循环烧蚀,即①热化学烧蚀,在超高温下,C主要是升华;纤维、基体的线烧蚀率不同,表面露出碳纤维,同时,TaC熔化;②随着TaC的不断熔化和C/C的不断升华,表面将完全附上TaC液体;③TaC液体被吹走(剥蚀)或蒸发掉,又露出C/C表面,然后循环①、②和③。

  熔化的TaC液体在材料表面上的厚度应该由在同样的环境条件下的C/C复合材料烧蚀速度、熔化的TaC液体在表面的扩展速度、环境的加热热流及流场速度共同决定。如果材料均匀,外界条件一定,TaC液体的初始厚度便可确定。‘对于C/C复合材料,侵蚀坑使加热流场不光滑,局部热流迅速增加,导致材料烧蚀量增加。对c/TaC/C复合材料的优良抗侵蚀性能,笔者认为不仅是由于液体层起了缓冲粒子侵蚀作用,更重要的是TaC液体的粘度很大,不易被气流立即吹走,它能够填补侵蚀粒子撞击材料表面的凹陷,维持材料的表面光滑性能,它使流场不在局部(可能是侵蚀部位)出现旋涡,即加热热流曲线光滑,不出现局部跳跃,表面烧蚀均。TaC液体层好象增强了抗侵蚀性能,实际上是TaC液体层减少了侵蚀对烧蚀的影响,改善其热化学烧蚀性能。

  假如气流剪切力大于表面液体存在的“强度”,TaC几乎不具有保护C/C复合材料抗侵蚀的功能,由此增加了C/C的表面空隙,易形成应力集中区域,增加C/C的烧蚀率。

  不论TaC液体层是否被吹走,如果考虑材料热应力的作用,C/TaC/C复合材料的表面剥蚀量比C/c复合材料大得多。这是由于表面材料处于高应力区,其温度特别高,在这样的超高温区下材料强度急降,再加上熔化的TaC使表面出现针孔状凹陷,应力中引起表面材料剥蚀量增大。

  由上可知,C/TaC/C复合材料烧蚀量由热化学烧蚀和表面材料剥蚀组成。如果熔化的TaC引起表面材料剥蚀增加量大于其减小的热化学烧蚀量,那么,C/TaC/C复合材料烧蚀量大于c/C复合材料烧蚀量。

  3C/TaC/C复合材料烧蚀模型的建立C/TaC/C复合材料的烧蚀机理主要是c的升华、TaC的液化、蒸发及材料表面的剥蚀,暂且不考虑材料表面的剥蚀,在超高温下C/TaC/C复合材料的烧蚀模型需要分步建立。

  C/TaC/C复合材料烧蚀模型与其烧蚀机理相对应,与烧蚀机理的第一步对应的烧蚀模型如图所示,它与C/C复合材料的烧蚀模型基本差不多,详见。

  C纤维、C基体升华,同时TaC受热熔化到一定程度,表面上形成很薄的液态层,―部分液体受压力梯度和表面切应力的作用沿物面流失,另一部分蒸发成为气体,引射到边界层中。不妨假定TaC液体层形成后才蒸发,首先需要确定TaC液体层的初始厚度,这需从烧蚀机理的第二步分析。

  本文的研究对象为单向均分布的含Ta的当时,V2=-dX/(7)(5)=-k/fy/9(8)其中,分别为、y方向上渗透率,"为WC的粘性系数,它主要依赖于液体温度,P为压力,>复合材料,材料的单胞体计算模型,如所示。C纤维和TaC丝都与y轴平行,根据材料的体积含量比例确定A,A,a:3:其中,也、A分别为单胞体中的c纤维、TaC纤维、C基体的体积。

  单胞体的计算模型忽略TaC丝熔化的膨胀,由知,只有碳纤维和碳基体升华一部分,熔化的TaC才能露出表面,然后向其四周扩散。液体层的厚度主要在于露出的TaC液化多少,它与碳纤维、碳基体升华的速度和液态TaC的扩散速度有关。利用几何和运动学关系可推出TaC液体层初始厚度50:时,其中,dy扩展速度,巧是基体的烧蚀线速度,i、由式(4)决定。

  由于碳基体、碳纤维的密度不同,烧蚀过程中C/C表面不光滑,有C纤维露出表面的毛刺,TaC液体的流动受到很大的阻力,类似于渗流,如所示。为了便于分析,利用渗流力学使复杂烧蚀模型进行转化,如所;:。

  由于烧蚀的非均匀性,露出的纤维及某些因素引起的表面内陷形状千变万化,即表面结构不规则。

  纤维间充有液态TaC后,其剪切力就不能按边界层的剪切力计算了,应考虑液态TaC粘度及流动。引用Darcy定律:为面上的当量空隙度。利用边界层理论中的g=,假设液体直接蒸发,蒸发组元不与气体边界层内组元发生反应,则蒸发组元的浓度由蒸气压公式给出。对于TaC,可用下式求解蒸发组元的浓度与蒸气压的关系为由于c/c复合材料的升华率与沉(下转第11瓦)无罩与有罩天线差方向图的比较(;/平面)将使导引头分辨率降低;而零点的偏移,将使天线视线产生误差,从而造成脱靶量增大。

  天线罩的另一影响是使方向性图的主瓣最大值降低。对于本文情况,天线罩采用了低损耗材料,在30°转角时主瓣降低了约0.3dB. 4结论推导了天线-天线罩系统相互作用的数学模型,并对所关心的几种情况给出了计算的单脉冲和差方向性图。对无罩情况,给出了理论计算与实验曲线的比较,证明了计算方法的正确性和应用的局限性;对有罩情况,比较了无罩和有罩两种情况下天线和差方向性图的理论计算曲线。通过对上述曲线的分析和比较,说明了这种45.分区单脉冲天线的某些方向图特性,以及天线罩对方向图的某些影响。

  本文的工作对于理解天线-天线罩系统相互作用的电磁现象是有帮助的,同时也为采用几何光学法计算差方向图零点的偏移,进而计算由天线罩引入的瞄准误差奠定了基础。

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