波纹夹芯结构C/SiC复合材料的高温热力耦合行为研究

Aiming at key technical requirements of thermal protection materials for near space hypersonic vehicle, research and develop a kind of new C/SiC composite material with corrugated sandwich structure. This material is lightweight, heat insulation and load-bearing structural integration. Study the preparation process and microstructure of the material and test the high-temperature mechanical properties, mechanics and physics parameters of the material through experiments. Based on micromechanics theory, thermal elasticity and heat conduction theory, propose a coupled thermo numerical method which is applied to the C/SiC composite material with corrugated sandwich structure in high-temperature environments. Set up the dynamics and heat conduction equations with coupled forms, and combine the finite element calculation method to give the calculation equations of the discrete structural dynamics. Under this condition, make the high temperature thermal coupling problem of C/SiC composite material transform into the coupling numerical problem of nonlinear thermal conduction equation and dynamic structure equations, and the precise integration method is used to solve the equations. This project can provide the theoretical support and experimental basis for the application and safety evaluation of lightweight multi-function thermal protection materials in hypersonic vehicle.

针对近空间用超高声速飞行器热防护材料的关键技术要求，研发一种轻质、防热和承力结构一体化的新型复合材料-波纹夹芯结构C/SiC复合材料，研究该材料的制备工艺与微观组织结构，实验测试该材料的高温力学性能与力学、物理学参数。基于细观力学原理、热弹性、热传导理论，提出一种适用于高温环境下波纹夹芯结构C/SiC复合材料的热力耦合数值计算方法。建立具有耦合形式的动力学和热传导方程组，结合有限元计算方法，给出离散结构动力学计算方程,使波纹夹芯结构C/SiC复合材料高温热力耦合问题转化为耦合形式的非线性导热方程和动力学结构方程的藕合数值计算问题，并采用精细积分方法求解。本项目的开展为我国高超声速飞行器轻质多功能热防护材料的应用及安全评估提供理论支持与实验依据。

高超声速飞行器在空中要保持长时间，高速度的飞行状态，能够承受恶劣的飞行热环境和气动载荷，要求其采用材料同时具有轻质、承力、防热、隔热等功能。针对近空间用超高声速飞行器热防护材料的关键技术要求，本课题利用高精度模具与有机前驱体浸渍裂解工艺相结合的方法开发制备了一种C/SiC波纹夹芯结构，这种复合材料结构体积密度<1.2g/cm3，并具有高比强度，高比刚度，优良的防隔热性能等特点。本课题采用材料学分析测试手段对复合材料结构的物相组成、微观组织结构等进行了表征。利用力学实验测试方法研究了不同温度和环境下复合材料结构压缩和弯曲力学性能，分析了高温无氧环境下和高温氧化后 复合材料结构力学性能的变化规律，对其失效方式、失效机制、材料微结构的演化进行了系统的评价，研究结果表明在高温无氧环境中，温度升高复合材料结构力学性能提高，其主要原因是由于碳纤维在高温环境下向有序化转变，提高了材料的力学性能，而在氧化环境中，温度越高复合材料结构的力学性能越差，主要原因是SiC和碳纤维在高温环境下氧化损伤增大所导致。利用ABAQUS有限元分析软件对复合材料结构的力学性能，高温热力耦合行为进行了模拟，并将所获得模拟结果与实验结果进行了对比，建立起了C/SiC波纹夹芯结构不同环境下的力学性能预报体系。本课题研究表明采用波纹夹芯结构C/SiC复合材料作为热防护结构，可以大幅度的降低飞行器质量，提高飞行器热防护能力和承载能力，增加飞行器的使用效率和安全性，从而提高超高声速飞行器在近空间的飞行速度和持续航行能力，本项目的开展推动了我国高超声速飞行器等新概念武器装备的发展，对提高我国国防军事实力具有极其重要的意义。