弹箭与制导学报

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2025 , Vol. 45 >Issue 6: 1283 - 1292

DOI: https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.06.040

学术文章

发动机环境下CNTs增强EPDM绝热材料的烧蚀特性

  • 郭梦飞 , 1, * ,
  • 余凯旋 1 ,
  • 杨佳沛 1 ,
  • 邓恒 , 2, ** ,
  • 张皓 2 ,
  • 宋子豪 1 ,
  • 张延超 1 ,
  • 王慧武 1
展开
  • 1 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院,西安 710048
  • 2 西安现代控制技术研究所 陆空基信息感知与控制全国重点实验室,西安 710065
郭梦飞(1988—),男,博士。E-mail:;
邓恒(1979—),男,研究员。E-mail:。

郭梦飞(1988—),男,博士。E-mail:。

收稿日期: 2025-04-10

  网络出版日期: 2026-01-24

基金资助

国家自然科学基金青年科学基金项目(52202481)

中国博士后科学基金项目(2022MD723835)

中国航空科学基金项目(ASFC-2024Z0740T6001)

陆空基信息感知与控制全国重点实验室开放课题基金(B324007)

陕西省重点研发计划项目(2024GX-YBXM-267)

收起

Ablation Characteristics of CNTs Reinforced EPDM Insulation Material Under Motor Environment

  • GUO Mengfei , 1, * ,
  • YU Kaixuan 1 ,
  • YANG Jiapei 1 ,
  • DENG Heng , 2, ** ,
  • ZHANG Hao 2 ,
  • SONG Zihao 1 ,
  • ZHANG Yanchao 1 ,
  • WANG Huiwu 1
Expand
  • 1 School of Mechanical and Precision Instrument Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,Shaanxi, China
  • 2 National Key Laboratory of Land and Air Based Information Perception and Control,Xi’an Modern Control Technology Research Institute,Xi’an 710065,Shaanxi, China

Received date: 2025-04-10

  Online published: 2026-01-24

Fold

摘要

固体火箭发动机燃烧室需进行热防护,传统材料烧蚀性能难以满足现代高性能发动机的严苛要求。碳纳米管(CNTs)可增强绝热材料性能,但增强机理尚不明确。成功研制出基础配方与CNTs增强配方的三元乙丙(EPDM)绝热材料,并设计了用于模拟高速气流冲刷工况的烧蚀发动机开展烧蚀实验,对试验后炭化层进行结构、气相沉积以及炭热还原反应多角度分析,系统的研究了CNTs的增强机理。实验结果表明,CNTs增强了绝热材料烧蚀性能,烧蚀实验后炭化层表面存在原始炭、SiO2富集、Al2O3沉积区域并揭示了其在不同区域的影响机制。通过系统探究多区域下的CNTs增强机理,为新型纳米绝热材料的创新设计提供了理论依据,为推动高可靠性固体火箭发动机热防护材料的工程化应用奠定了理论基础。

关键词： 固体火箭发动机; 绝热材料; 碳纳米管(CNTs); 高速气流冲刷; 烧蚀机理

本文引用格式

郭梦飞 , 余凯旋 , 杨佳沛 , 邓恒 , 张皓 , 宋子豪 , 张延超 , 王慧武 . 发动机环境下CNTs增强EPDM绝热材料的烧蚀特性[J]. 弹箭与制导学报, 2025 , 45(6) : 1283 -1292 . DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2025.06.040

Abstract

The combustion chamber of a solid rocket motor requires thermal protection.However,the ablation performance of traditional materials is difficult to meet the stringent requirements of modern high-performance motors.Carbon nanotubes (CNTs) have the potential to enhance the performance of thermal insulation materials,yet the enhancement mechanism remains unclear.The ethylene propylene diene monomer (EPDM) thermal insulation materials with both the baseline formulation and the CNTs-enhanced formulation have been successfully developed.An ablation motor,which is designed to simulate the working condition of high-speed gas flow erosion,has been used to conduct ablation experiments.A multi-faceted analysis,including the study of the structure,gas-phase deposition,and carbothermal reduction reaction,has been carried out on the char layer after the test,thus systematically researching the enhancement mechanism of CNTs.The experimental results demonstrate that CNTs have enhanced the ablation performance of the thermal insulation materials.After the ablation experiment,regions of original carbon,SiO2 aggregate,and Al2O3 deposition exist on the surface of the char layer,and the influence mechanisms of these regions in different areas have been revealed.By systematically exploring the enhancement mechanism of CNTs under multi-region conditions,this study provides a theoretical basis for the innovative design of new types of nano-thermal insulation materials.It also lays a theoretical foundation for promoting the engineering application of highly reliable thermal protection materials for solid rocket motors.

Key words： solid rocket motor; insulation material; carbon nanotubes(CNTs); high speed gas flow erosion; ablation mechanism

0 引言

在航天热防护系统中,纳米填料增强的聚合物基绝热材料因具备良好烧蚀性能、隔热性能及低密度等优势而被广泛应用[1-3]。碳纳米管(CNTs)具备优异的力学和导热性能,是常被用于材料性能提升的先进纳米增强填料之一[4-6],用于增强三元乙丙(EPDM)绝热材料时,在氧乙炔烧蚀实验中展现出良好的烧蚀性能增强效果[7-9]。虽然CNTs能够凭借其卓越力学性能增强炭化层强度,从而强化炭化层的屏障作用,提升材料的烧蚀性能,但其较高的导热性能会加速热量向绝热材料内部的传递,对烧蚀防护产生不利影响。CNTs具有明显的优缺点,需要合理的使用才能发挥其用途,且绝热材料烧蚀过程复杂,涉及热分解、热化学消耗和气流剥蚀等[10]。CNTs的力学和热学特性会对其烧蚀过程产生作用。因此,为合理利用CNTs,充分发挥其增强效果,迫切需要对CNTs增强绝热材料的烧蚀行为及性能进行深入研究,揭示其增强机理。
目前在CNTs增强机理的研究方面已经开展了一些研究工作。例如,研究发现氧乙炔试验后炭化层内存在CNTs的网络结构,该结构能提高炭化层导热性,对烧蚀产生不利影响[11],通过在绝热材料内布置热电偶测量氧乙炔烧蚀过程中材料内部温度曲线的研究可知,CNTs还可从导热和辐射角度,通过影响材料内部热量传导和辐射过程来改变绝热材料性能[12]。从CNTs网络结构、CNTs对炭热还原反应的影响等方面进行研究表明,CNTs的网络结构以及炭热还原反应生成的SiC晶须能够增强炭化层的力学性能,从而提升烧蚀性能[13],且CNTs填料有助于在炭化层内纤维表面形成液膜,以此减少绝热材料的热化学烧蚀。此外,从炭化层石墨化的角度对氧乙炔烧蚀环境下CNTs的自增强机制展开研究,揭示了CNTs可促进炭化层石墨化,进而增强绝热材料的性能[14-15]。目前CNTs增强机理的研究虽取得一定成果,但缺少一个统一的认识,导致在CNTs增强绝热材料的实际应用和进一步优化设计方面,仍需要细致地研究CNTs增强机理。
在真实发动机燃烧室的高速气流冲刷烧蚀环境中,绝热材料炭化层表面可能存在不同区域,不同区域的烧蚀特性及烧蚀速率差异会引起炭化层凸起或凹陷,在高速气流等极端冲刷烧蚀环境中,不平整的炭化层会显著增大材料的烧蚀速率。绝热材料受热发生分解形成炭化层,炭化层的主要成分为C,因此将此区域命名为原始炭区域。此外,绝热材料内熔融态的SiO2在热解气体的驱动以及燃烧室内高速气流的冲刷作用下会流向炭化层表面并聚集在局部区域,形成SiO2富集区域[16]。同时,推进剂中多含有Al等金属添加物,烧蚀过程中Al2O3等粒子可能会沉积在绝热材料表面,形成Al2O3沉积区域[17]。在上述综合作用的影响下,会导致炭化层局部出现凹坑、凸起或者裂缝,高速气流渗透到裂缝中,导致局部剥落和炭层表面进一步粗糙化,加剧炭化层表面不平整,使得炭化层更易被高速气流剥蚀[18],进而显著影响绝热材料的烧蚀性能[19]。当前关于CNTs增强炭化层的研究主要集中于原始炭化区域,然而实际工况下存在多区域结构,且CNTs特殊的结构以及优异的物理化学性能会影响不同区域的炭化层孔隙结构以及烧蚀中的物理化学过程[20-23]。因此有必要开展CNTs对炭化层表面SiO2富集以及Al2O3沉积区域烧蚀行为的影响机制研究。
基于以上思路,本文设计了烧蚀发动机实验,对基础配方和CNTs增强配方的EPDM绝热材料进行了烧蚀性能测试。选择高速气流冲刷区域进行观察。烧蚀实验后对炭化层的区域进行电镜观测以及EDS测试,研究各区域炭化层的形貌和元素含量,全面深入地研究CNTs的增强机理。

1 实验部分

1.1 材料制备

首先制备了基础配方(Baseline formulation),通过向基础配方中添加10phr的CNTs制备了CNTs增强配方(CNTs formulation)。本文所使用的CNTs物性参数具体为,内径3-5nm,外径8-20nm,长度3-12μm,管壁层数8-15,长径比230-930。表1所示为具体配方。
表1 EPDM绝热材料配方(phr)

Table 1 The formulation of EPDM materials

Baseline formulation CNTs formulation
EPDM rubber 100 100
Aramid fiber 10 10
Fumed silica 20 20
Paraffin oil 10 10
Phenolic resin 20 20
DCP 6 6
CNTs 0 10

Notes:phr is defined as parts per hundred rubber.

EPDM橡胶的混炼工艺采用炼胶机(XK-160)完成,当橡胶形成包辊的状态时,按照表1的配方依次加入填料,多次混练至混练胶均匀。使用平板硫化机对混炼均匀的材料进行加压硫化处理,硫化工艺参数为:温度160℃、压力12MPa,硫化时长30min。

1.2 高速气流冲刷烧蚀实验

模拟高速气流冲刷环境所采用的发动机的结构如图1所示,在发动机燃烧室和喷管之间存在一个狭窄通道,这个通道使发动机的燃气速度提高。Fluent计算获得该处燃气的气流速度为61.7m/s,相对于发动机燃烧室内的燃气流,该处的气流属于高速气流。烧蚀发动机实验采用四组元推进剂,其含铝量为17wt%,理论燃温为3595K。通过设计喷管直径,将发动机的工作时间设为6s,设计压强定为7MPa。为了获得平稳的压强曲线,采用端面燃烧的推进剂。基础配方与CNTs配方烧蚀实验是在同一次发动机实验中完成,从而确保了实验状态如压力、温度、燃气组分、燃气速度等是一致的,实验时针对两种配方均放置3个重复性样品以获取均值和误差带。
图1 烧蚀发动机实验装置结构图

Fig.1 Structural diagram of the experimental device for ablation motor

实验后测量的发动机工作压强曲线如图2所示,平均压强6.18MPa,选择10%最高压强对应的时间作为有效工作的起始时间和结束时间,有效工作时间为6.69s。
图2 烧蚀发动机工作压强曲线

Fig.2 Operating pressure curve of ablation motor

1.3 烧蚀性能及炭化层特性表征

采用炭化速率和质量烧蚀率表征绝热材料的抗烧蚀性能。绝热材料的炭化速率=(试样原始厚度-试样剥去炭化层的厚度)/烧蚀时间,绝热材料的质量烧蚀率=(试样原始质量-试样剥去炭化层的质量)/烧蚀时间。
实验后采用特高分辨率场发射扫描电镜(FE-SEM,美国FEI公司的Nova NanoSEM 450)观察炭化层的形貌。采用X射线能谱分析(EDS)对炭化层元素含量进行分析。

2 结果与讨论

2.1 高速气流冲刷实验结果

烧蚀实验后的基础和CNTs配方的烧蚀速率如图3所示。实验结果显示,CNTs配方的炭化及质量烧蚀速率均低于基础配方,分别降低了5.31%和6.74%,这也证实了CNTs的引入能够增强绝热材料在高速气流冲刷烧蚀环境下的烧蚀性能,从而使CNTs配方具有更优异的烧蚀性能。
图3 烧蚀发动机实验结果

Fig.3 Experimental results of ablation motor

2.2 炭化层电镜及EDS分析

EPDM绝热材料受热会发生热分解,生成多孔的炭化层残渣[24-26]。烧蚀过程中炭化层直接接触固体火箭发动机燃烧室内高温燃气,炭化层表面受高温燃气热化学、气流剥蚀和粒子侵蚀的影响,是绝热材料抵抗烧蚀的重要屏障[27]。炭化层的表面形貌是其性能的关键决定因素[28-29],能够直接影响绝热材料的抗烧蚀性能,同时炭化层的形貌比较直观,易于观测,炭化层形貌是烧蚀特性研究中的一项重要内容,也是分析CNTs增强机理的重要手段。
图4是烧蚀实验后的基础配方(图4A和C)和CNTs配方(图4B和D)炭化层的整体形貌。由于发动机实验段内气流速度较高,具有很强的剥蚀能力,烧蚀实验之后炭化层表面平整(图4A和B),使用扫描电镜对炭化层进行初步放大(图4C和D),可以看到基础配方的炭化层相对疏松,CNTs配方的炭化层相对致密。
图4 发动机烧蚀实验后炭化层的整体形貌图

Fig.4 Overall morphology of char layer after ablation motor experiment

由于SiO2富集和Al2O3沉积的影响,烧蚀后的炭化层表面存在原始炭区域、SiO2富集区域和Al2O3沉积区域。接下来观测不同区域炭化层的形貌特征,分析CNTs对炭化层的增强机理。

2.3 原始炭区域形貌及元素分析

图5和图6展示了烧蚀实验后不同配方炭化层原始炭区域的微观形貌及元素分析结果。在图中所示区域,基础和CNTs配方中炭化层的C的摩尔含量较高(大于85%),Al和Si的摩尔含量较低(约1%),该区域炭化层的主要组成元素是C,故将其命名为原始炭区域。此外,测试前对炭化层进行了喷金处理以获得更加清晰的电镜照片,原始EDS图谱中含有Pt,而图中列出的EDS结果是去除了Pt的相对摩尔百分比。
图5 基础配方炭化层原始炭区域的SEM图像及EDS结果

Fig.5 Electron microscopy and EDS results of the original C region in the char layer of the baseline formulation

图6 烧蚀试验后CNTs配方炭化层原始炭区域的SEM图像和EDS结果及实验前CNTs形貌:A,B为实验后CNTs配方炭化层;C,实验后CNTs照片;D实验前CNTs照片

Fig.6 SEM photos and EDS results of original C-region char layer of CNTs formulation after ablation test,pre-experiment CNT photos:A,B:post-experiment char layers of CNTs formulation; C:post-experiment CNTs photos; D:pre-experiment CNTs photos

SEM图像(图6)表明,CNTs配方炭化层内部形成了网络状结构,而基础配方的炭化层则表现为典型的疏松多孔结构。这种网络状结构是由于添加了CNTs形成的,且网络状结构可以增强炭化层的力学性能[30-32]。
通过对图6进一步分析可知,试验后CNTs的直径发生了明显的变粗。具体而言,CNTs的外径由实验前的17.83±4.72nm(图6D)增至实验后的37.97±10.95nm(图6C)。分析原因认为,热解气体经过炭化层向外流出时,在高温下会发生气相沉积[33],且CNTs比表面积较大,具有良好的成核特性,可以促进热解气体在炭化层表面的气相沉积,导致CNTs的直径变粗,从而增强了CNTs网络。
综上,CNTs对原始炭区域的增强机理主要体现在两方面:(1)CNTs在炭化层内部构建了网络结构,能够增强炭化层的结构强度及其抵御高速气流剥蚀的能力。(2)CNTs的成核特性可以使得经过其表面的热解气体产生气相沉积,进一步对已形成的CNTs网络结构进行补强。

2.4 SiO2富集区域形貌及元素分析

烧蚀过程中,炭化层内的部分SiO2熔融,SiO2在热解气体的驱动下流向炭化层表面,在炭化层表面形成SiO2富集区域[34],此处炭化层表面Si的摩尔百分数含量会相对较高,通常处在10%以上,远高于原始炭区域内Si的含量,将该炭化层区域称为SiO2富集区域。
图7和图8分别展示了基础与CNTs配方炭化层SiO2富集区域的微观形貌及元素分析结果。电镜结果显示,炭骨架及CNTs网格结构中分布着球状物质,EDS结果表明球状物质的Si和O元素的含量较高,推测其可能为SiO2。进一步分析CNTs配方(图8)可见,球状SiO2与CNTs网格相互交错,形成了CNTs-SiO2复合网状结构。
图7 基础配方炭化层SiO2富集区域的SEM图像及EDS结果

Fig.7 SEM photos and EDS results of SiO2 aggregated region in the char layer of the baseline formulation

图8 CNTs配方炭化层SiO2富集区域的SEM图像及EDS结果-微观结构1

Fig.8 SEM photos and EDS results of SiO2 aggregated region in the char layer of CNTs formulation-microstructure 1

此外如图9和图10所示,CNTs配方炭化层表面观测到多个不同SiO2富集区域。其中图9炭化层表面的SiO2富集区域表现出网络状结构。此处炭化层的网络状骨架相比于图6中的更粗,其平均直径达到了57.27±8.52nm。
图9 CNTs配方炭化层SiO2富集区域的SEM图像及EDS结果-微观结构2

Fig.9 SEM photos and EDS results of SiO2 aggregated region in the char layer of CNTs formulation-microstructure 2

图10 CNTs配方炭化层SiO2富集区域的SEM图像及EDS结果-微观结构3

Fig.10 SEM photos and EDS results of SiO2 aggregated region in the char layer of CNTs formulation-microstructure 3

接下来从CNTs对炭化层内炭热还原反应影响的角度解释图9中更粗的网络化结构。高温时C和SiO2会发生炭热还原反应生成SiC[35-36],如式(1)所示:
SiO2(s)+3C(s)=SiC(s)+2CO(g)
上述反应可拆分为以下两个步骤:
SiO2(s)+C(s)=SiO(g)+CO(g)
SiO(g)+2C(s)=SiC(s)+CO(g)
之前的研究表明[13],CNTs可以通过促进限速反应(3)的反应速率增大炭化层内SiC的生成量,且CNTs对SiC晶须的生成有导向作用,结合图9的EDS结果,认为该处为CNTs导向的SiC晶须增强网络。原位生成的SiC加粗了CNTs,增强了CNTs的网络结构,进而提高了炭化层的性能[37]。
图10的EDS结果显示,炭化层表面SiO2富集区域Si元素摩尔含量为26.80%。在该区域微观形貌中,炭化层表面可以看到明显的珠状物质,EDS结果进一步表明,该珠状物质为SiO2。
反应(2)中的产物SiO与CO会进一步发生如下反应:
SiO(g)+3CO(g)=SiC+2CO2(g)
3SiO(g)+CO(g)=SiC+2SiO2
CNTs具有大的比表面积以及优异的化学性能,可以显著增强反应(2)的速率,导致绝热材料炭化层内SiO和CO分压迅速增大,SiO和CO通过反应(5)生成SiC和SiO2,由于生成速率较快,生成的SiO2直接包覆在SiC表面,来不及与C接触[13],导致出现了如图10所示的SiO2珠状物质。我们在之前的高温管式炉实验中也发现了SiO2包覆的SiC[13]。
珠状SiO2的出现会对烧蚀过程产生影响,进而对绝热材料的烧蚀性能产生作用。在烧蚀过程中,燃气中含有水蒸气、CO2等气体,高温下这些气体与SiC发生化学反应,消耗SiC,珠状SiO2包裹在SiC上起到隔绝的作用,减少SiC的消耗[38,39]。
综上,SiO2富集区域的CNTs增强机理主要体现在以下三方面:(1)在CNTs配方炭化层表面,SiO2能够与CNTs的网络结构发生相互联结,进而构建出CNT-SiO2复合网络。(2)发动机烧蚀过程中,高温下SiO2与CNTs可以发生化学反应,原位生成SiC晶须,进一步增强了CNTs的网络结构。(3)炭化层骨架表面被部分呈熔融态的SiO2所覆盖,有效减少了炭化层内热化学反应而引发的消耗。

2.5 Al2O3沉积区域形貌及元素分析

固体火箭发动机在运行过程中,固体推进剂的燃烧会产生大量氧化铝液滴[40],烧蚀过程中部分Al2O3会沉积在绝热材料的表面上,形成高温和高热的熔渣。由于此区域Al元素摩尔含量显著高于原始炭区域,故将炭化层中的这一区域定义为Al2O3沉积区域。
发动机烧蚀实验后,不同配方炭化层Al2O3沉积区域的微观形貌及元素分析结果如图11和图12所示。基础配方炭化层表面存在着大量的球状物质(图11),进一步分析EDS结果(Point1,图11C),可知球状物质的元素组成主要为C、O、Al等。C含量较高的现象可能是由于高温条件下热解气体在球状物质表面发生气相沉积,形成富含C的沉积层。结合球状物质内Al和O元素的存在,推测该球状物质为Al2O3。
图11 基础配方炭化层Al2O3沉积区域的电镜照片及EDS结果-微观结构1

Fig.11 SEM photos and EDS results of the Al2O3 deposition region in the char layer of the baseline formulation-microstructure 1

图12 CNTs配方炭化层Al2O3沉积区域的电镜照片及EDS结果-微观结构1

Fig.12 SEM photos and EDS results of the Al2O3 deposition region in the char layer of the CNTs formulation-microstructure 1

图11B的SEM图像显示,炭化层呈现出多孔疏松的结构特点,其絮状区域(Rectangle 1)的EDS结果表明该区域主要成分为C,推断该处为热解气体高温形成的沉积炭。结合图11B和C的微观形貌可以看出,纤维炭化后形成的骨架结构周围分布着炭沉积层以及球状的Al2O3。由于炭化纤维的主要成分为C,而高温下Al2O3与C之间会发生化学反应导致炭化层骨架的消耗,从而削弱炭化层的强度,Al2O3液滴对绝热材料的烧蚀性能具有负面影响。
与基础配方相比(图11B),CNTs配方的炭化层表面表现出更加致密的结构(图12B)。此外,CNTs与Al2O3小球相互联结,构成CNTs-Al2O3复合网络结构。
Al2O3粒子的冲刷和沉积行为具有很强的随机性,使得炭化层表面Al2O3含量存在显著差别,部分沉积区域出现明显的Al2O3聚集现象。如在图13(基础配方)和图14(CNTs配方)所示区域中,Al的摩尔百分含量均超过了15%,明显高于图11和图12所示区域,故将此类区域称为严重Al2O3沉积区域。图13和图14的SEM图像和EDS数据揭示了不同配方炭化层表面严重Al2O3沉积区域的形貌特征及元素分布规律。
图13 基础配方炭化层严重Al2O3沉积区域的电镜照片及EDS结果-微观结构2

Fig.13 SEM photos and EDS results of severe Al2O3 deposition area in the carbonized layer of the baseline formulation-microstructure 2

图14 CNTs配方炭化层严重Al2O3沉积区域的电镜照片及EDS结果-微观结构2

Fig.14 SEM photos and EDS results of the severe Al2O3 deposition region in the char layer of the CNTs formulation-microstructure 2

严重Al2O3沉积区域的炭化层表面被大量的Al2O3小球覆盖,导致很难观察到炭化层的结构形貌。Al2O3小球间存在附着物,附着物的EDS结果(Point 2,图13和图14)表明此处元素组成主要为C、O、Al。采用C和Al2O3反应机理分析附着物的成分。
高温下,炭化层和Al2O3的主要化学反应主要包括[41]:
Al2O3+3C=Al2OC+2CO
2Al2OC + 3C=Al4C3+2CO
Al2O3+Al4C3=6Al+3CO
因此烧蚀之后的炭化层表面Point 2处可能存在Al2OC,Al4C3和Al等产物。
在基础配方炭化层表面还发现了含有22.39%的Al的严重Al2O3沉积区域,如图15所示。SEM图像分析显示,炭化层呈现两种不同形貌特征(图15)。Point 1对应的区域表面光滑,其EDS结果显示Al和O元素的总摩尔占比达到90%以上,通过分析Al和O的摩尔比例,认为此区域物质为Al2O3。Point 2区域表现为粗糙,EDS结果表明该区域C元素摩尔含量为96.92%,因此该区域主要由C构成。炭化层表面C和Al2O3相互独立。分析原因认为,在发动机烧蚀实验末段,由于基础配方炭化层疏松的结构,Al2O3粒子打到炭化层表面时直接填入炭化层内部,之后随着温度的降低,Al2O3凝固,来不及与炭化层发生化学反应,出现了图15所示的C和Al2O3相互独立的现象。而CNTs配方炭化层整体比较致密,Al2O3粒子难以直接打入炭化层内部,因此没有在CNTs配方中发现C和Al2O3相互独立的现象。
图15 基础配方炭化层Al2O3沉积区域的电镜照片及EDS结果-微观结构3

Fig.15 SEM photos and EDS results of the Al2O3 deposition region in the carbonized layer of the baseline formulation-microstructure 3

综上, Al2O3沉积区域CNTs的增强机理主要体现在以下三方面:(1)CNTs配方炭化层表面的Al2O3可以与CNTs的网络结构发生相互联结,构成CNTs-Al2O3复合网络结构。(2)CNTs配方炭化层相对致密,减少了进入炭化层内部的Al2O3粒子。(3)在严重Al2O3沉积区域,基础配方和CNTs配方炭化层表面均覆盖有大量的Al2O3小球。

2.6 CNTs烧蚀性能增强机理分析

通过对比基础配方与CNTs配方在发动机高速冲刷工况下的炭化层SEM形貌及EDS元素分布,系统揭示了 CNTs在不同区域的增强作用机制。
1) 在原始炭区域,CNTs的引入促使炭化层形成致密化结构,其独特的网络状分布有效提升了炭化层的力学强度;同时,热解气体沉积过程进一步巩固 CNTs 网络,形成协同增强效应。
2) 在SiO2富集区域,原位生成的SiC沿CNTs轴向生长,通过“加粗”CNTs强化其网络结构,而熔融态SiO2的表面覆盖层则抑制了SiC的氧化消耗,有利于提升材料抗烧蚀性能。
3) 对于Al2O3沉积区域,CNTs配方的炭化层表现出更高的致密度,有效阻隔 Al2O3颗粒向炭化层内部渗透,从而减少颗粒对炭骨架的机械侵蚀与化学消耗。

3 结论

本文利用烧蚀发动机开展了高速气流冲刷工况下的烧蚀实验,对CNTs增强绝热材料的烧蚀性能进行了测试,并对实验后炭化层的微观形貌以及元素组成分进行表征与分析。实验结果表明,CNTs可以增强炭化层的抗气流剥蚀性能。相较于基础配方,含 CNTs 配方的炭化速率与质量烧蚀速率分别降低了5.31%和6.74%。微观表征分析表明,实验后炭化层表面存在原始C区域,SiO2富集区域和Al2O3沉积区域,且在不同区域,CNTs的增强机理不同:原始炭区域,CNTs配方绝热材料的炭化层内会形成CNTs的网络结构,热解气体的气相沉积进一步增强网络结构;SiO2富集区域,原位生长的SiC增强了CNTs的网络结构,且熔融的SiO2覆盖在SiC上,减少了SiC的消耗;Al2O3沉积区域,CNTs配方绝热材料相对致密的炭化层减少进入炭化层内的Al2O3粒子以及Al2O3粒子对炭化层骨架的消耗。然而,受Al2O3粒子碰撞的随机性及高速气流的吹除作用、炭化层的平整度等因素影响,各富集区域的分布也具有一定的随机性,且各富集区域在宏观尺度下难以通过观察精准界定,致使CNTs在各富集区域的增强效应难以进行定量表征,后续拟通过多物理场耦合模型系统探究各富集区域的分布规律及CNTs增强程度。CNTs增强机理的研究可以指导新型绝热材料的设计,同时为精细化烧蚀模型的建立打下基础。

参考文献

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