一种炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度测试方法技术

本发明专利技术公开了一种炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度测试方法，方法用于对绝热材料表面炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度进行测试，包括：制备炭化层试件；固定试件后，用喷砂机喷出的固体粒子冲刷试件，过程中固体粒子流在试件上的实际冲刷面积小于A或者固体粒子流在试件上的实际冲刷面积大于等于A，冲刷t秒后去除试件表面的附着粒子；测量试件被冲刷面凹坑最深处的深度H及被冲刷后的试件损失质量M；之后计算厚度损失率R

【技术实现步骤摘要】
一种炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度测试方法


[0001]本专利技术涉及复合材料和烧蚀领域，更具体来说是一种绝热材料炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度测试方法。

技术介绍

[0002]固体火箭发动机工作过程中燃烧室内部是高温高压的热环境，发动机壳体难以承受，工程上一般采用敷设绝热层的方式进行热防护。目前，应用最为广泛的绝热层是炭化类复合材料。而随着大机动飞行的需求，含金属粉末高能推进剂的推广以及新型冲压发动机的使用，绝热材料面临的粒子侵蚀问题日益突出。在绝热材料研制过程中，需要对其抗粒子能力进行科学、准确的表征。
[0003]绝热材料在烧蚀过程中会形成炭化层
‑
热解层
‑
原始层的三层结构，其中位于表面的炭化层是绝热材料抵御具有腐蚀性的高温燃气传热的重要屏障，也是热化学烧蚀、气流剥蚀以及粒子侵蚀的直接作用对象。可以看出，炭化层是联系绝热材料烧蚀过程中物理化学过程的重要纽带。微观形貌分析结果表明，炭化层是一种孔隙率较高的多孔介质，在烧蚀过程中会被机械破坏。
[0004]在包含粒子侵蚀条件的烧蚀环境下，绝热材料烧蚀急剧增加，可以达到正常状态下的2～12倍。研究表明，粒子侵蚀条件下绝热材料烧蚀率异常时因为推进剂燃烧产生的凝相粒子(直径介于10～200um)高速撞击炭化层并造成破坏，使得热解层和原始层直接暴露在高温燃气环境中，从而加剧绝热材料烧蚀。
[0005]目前，对于炭化层强度常用的测试及表征方法包括通过抗压试验测量抗压强度，通过压痕试验测量硬度以及通过磨损试验测量耐磨损度。其中，抗压和压痕试验都是通过持续对炭化层施加法相压力导致其局部变形或整体破坏，而磨损试验是通过持续对炭化层施加切向摩擦力消耗炭化层质量。可以看出，这些测试方法对于炭化层的破坏模式与粒子侵蚀条件下微小粒子的撞击破坏模式存在很大的区别，测试结果难以表征炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷或不足，本专利技术提供了一种炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度测试方法，用于对绝热材料表面炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度进行测试。
[0007]为此，本专利技术所提供的方法包括：
[0008](1)从绝热材料上剥离的炭化层，制备炭化层测试试件，所述试件上设有被冲刷面，所述被冲刷面的面积为A，单位：mm2，试件初始质量为M0，单位：g；
[0009](2)固定试件，用喷砂机喷出的固体粒子冲刷试件，过程中固体粒子流在试件上的实际冲刷面积小于A或者固体粒子流在试件上的实际冲刷面积大于等于A，冲刷t秒后去除试件表面的附着粒子；所述固体粒子的粒径为10
‑
2000μ m，所述固体粒子的硬度大于被测炭化层材料的硬度；
[0010](3)测量试件被冲刷面凹坑最深处的深度H及被冲刷后的试件损失质量M；
[0011](4)步骤(2)中固体粒子流在试件上的实际冲刷面积小于A时，计算厚度损失率Rh：固体粒子流在试件上的实际冲刷面积大于等于A时，计算质量损失率R
m
；R
h
＝cosα
·
H/t，R
m
＝cosα
·
M/A
·
t，α为试件被冲刷面与水平面之间的夹角，其中0
°
<α<90
°
。
[0012]进一步本专利技术的方法还包括，(5)求取抗粒子侵蚀破坏强度质量表征量G
m
或抗粒子侵蚀破坏强度厚度表征量G
h
，G
m
＝1/R
m
，G
h
＝1/R
h
。
[0013]可选的，所述固体粒子的形状为球形。
[0014]可选的，所述固体粒子的材质为Al2O3或SiO2。
[0015]可选的，所述试件的形状为规则多面体或不规则多面体。
[0016]可选的，采用超声去除试件表面的附着粒子，经干燥后执行步骤(3)。
[0017]进一步在采用上述方法对多个不同的含碳材料进行测试，将测试结果进行对比，评价各含碳材料表面炭化层抗粒子侵蚀强度的优劣性。
[0018]本专利技术的测试方法能够科学地、准确地表征炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度。并且本专利技术的测试方法能够根据实际情况调节实验环境，包括粒子冲刷速度、浓度以及试件角度等，适用性非常广泛。
附图说明
[0019]图1为本专利技术测试方法的原理示意图。
[0020]图2为通过炭化层厚度损失表征抗粒子侵蚀破坏强度的原理示意图，H0为初始厚度，H1为冲刷后凹坑最深处的试件厚度。
[0021]图3为通过炭化层质量损失表征抗粒子侵蚀破坏强度的原理示意图。
[0022]图4为试件不同倾角条件下的测试原理示意图。
[0023]图5为对比例的实验结果图。
具体实施方式
[0024]除非有特殊说明，本文中的术语和方法根据相关领域普通技术人员的常规认识和已知的现有方法实现。
[0025]基于本专利技术的方案，具体实施方式中可以调整的参数还有喷砂机的喷出压力P、固体粒子被喷出的流速v、固体粒子流的浓度c(即单位体积的粒子流中固体粒子的质量)、喷砂机上喷枪枪头的尺寸d和喷枪与试件被冲刷面之间的距离L，这些参数以及试件被冲刷面与水平面之间的夹角α(如图4所示)、冲刷t时长、试件的尺寸以及试件的质量的合理设置要求是：一方面需保障固体粒子流在试件上的实际冲刷面积小于被冲刷面的面积A(如图2所示)或者固体粒子流在试件上的实际冲刷面积大于等于被冲刷面的面积A(如图3所示)，同时测试过程中应保障固体粒子流不会击穿试件。
[0026]为确保本领域技术人员能够实施本专利技术的方案，对于市面上的绝热材料，上述参数的取值示例为：3mm<d<20mm，5mm<L<100mm，0.1MPa<P<1MPa，1m/s <v<100m/s，c<10kg/m3。需要说明的是，该组参数示例不对专利技术方案起唯一限定作用，本领域技术人员可根据被测材料的性能在不违背本专利技术构思的前提下，采用常规实验手段对相关参数进行优化选择。
[0027]采用本专利技术的测试方法对多中材料进行测试时，不同种类材料之间的上述测试参
数喷砂机的喷出压力P、固体粒子被喷出的流速v、固体粒子流的浓度c、喷砂机上喷枪枪头的尺寸d、喷枪与试件被冲刷面之间的距离L、被冲刷面与水平面的夹角α、冲刷t时长应保持一致，以确保评价结果的客观性。
[0028]一些方案中，本专利技术的测试前需做试件准备或制备工作，包括去除被测材料表面的破损炭化层，将试件修整或打磨成规则多面体或不规则多面体，如六方体、圆柱形等，选择试件上的一个炭化层完整的面为被冲刷面。测试前将试件固定在合适位置或直接固定在喷砂机枪头下方。
[0029]本专利技术的喷砂机可采用现有喷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度测试方法，方法用于对绝热材料表面炭化层的抗粒子侵蚀破坏强度进行测试，其特征在于，包括：(1)从绝热材料上剥离的炭化层，制备炭化层测试试件，所述试件上设有被冲刷面，所述被冲刷面的面积为A，单位：mm2，试件初始质量为M0，单位：g；(2)固定试件，用喷砂机喷出的固体粒子冲刷试件，过程中固体粒子流在试件上的实际冲刷面积小于A或者固体粒子流在试件上的实际冲刷面积大于等于A，冲刷t秒后去除试件表面的附着粒子；所述固体粒子的粒径为10
‑
2000μm，所述固体粒子的硬度大于被测炭化层材料的硬度；(3)测量试件被冲刷面凹坑最深处的深度H及被冲刷后的试件损失质量M；(4)步骤(2)中固体粒子流在试件上的实际冲刷面积小于A时，计算厚度损失率Rh：固体粒子流在试件上的实际冲刷面积大于等于A时，计算质量损失率R
m
；R
h
＝cosα
·
H/t，R
m
＝cosα
·
M/A
·
t，α为试件被冲刷面与水平面之间的夹角，其中0
°
<α&lt...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠昆，闫宁，边城，关轶文，朱国伟，栾涛，杨燕京，李宏岩，
申请(专利权)人：西安近代化学研究所，
类型：发明
国别省市：