树脂基材料考虑物性及微结构演化的传热特性确定方法技术

本发明专利技术涉及一种树脂基材料考虑物性及微结构演化的传热特性确定方法，从气动加热后的材料不同位置切取材料样品，得到材料密度的值，从而计算得到不同位置样品的热解度，基于热解度计算得到不同热解度下基体物性。同时对不同位置的材料样品进行微结构观测，得到微结构形貌、微结构组元之间的搭接关系以及相互位置关系，通过对微结构，包括纳米孔隙率、微米孔隙率、纤维直径和纤维长度的尺寸的统计结果，得到气动加热过程中微结构的演化规律，并由统计结果及随热解度变化的物性结果，结合微结构的形貌观测结果，建立跨尺度的有限元模型，加载边界条件进行求解，得到不同热解度对应的材料等效热导率的预测结果。料等效热导率的预测结果。料等效热导率的预测结果。

【技术实现步骤摘要】
树脂基材料考虑物性及微结构演化的传热特性确定方法


[0001]本专利技术涉及一种考虑气动加热条件下树脂基防热材料物性及微结构演化的传热特性确定方法，属于飞行器热防护


技术介绍

[0002]飞行器的热防护技术的发展经历了几个过程，最初为热沉式热防护，利用金属的热沉吸热来阻隔热量，但是随着气动加热的严重，已经不能满足要求。后来发展出烧蚀热防护方式，利用材料的蒸发、熔化、升华以及化学反应等来吸收热量，烧蚀热防护由于其高效的热防护效果在再入卫星、飞船等上得到了广泛的应用。烧蚀热防护由于形式简单且具有较好的防热效果，可靠性较高，目前在返回式卫星、飞船等飞行器上仍然得到广泛的应用。为了在兼顾防热效率的基础上提高隔热效果，目前发展出纳米树脂基防热材料，主要是树脂基体中含有纳米尺度的孔隙，在不影响防热效果及力学强度的情况下显著降低了材料的热导率和密度，再与纤维进行复合，得到带走纳米尺度孔隙的树脂基防热材料。
[0003]防热材料的设计和加工，目前大多是从工艺角度进行不断尝试，针对不同的工艺生产出的防热材料样品，通过试验的方法测试其防隔热性能，这种探索是一种非常有效的方式，但是生产周期较长，成本较高，工艺探索以及材料性能测试过程中的不确定性较高，因此从仿真的角度对材料的防隔热性能进行探索尤为重要。
[0004]当前针对均质材料的烧蚀及传热机理的研究较为成熟，运用宏观的热化学烧蚀理论，传热控制方程，表面的能量守恒及质量守恒方程，加载边界条件，求解出材料随时间变化的热响应机理，包括内部温度分布，烧蚀后退，炭化层厚度随时间的变化等。但是针对带有纳米孔隙的树脂基防热材料的热响应机理的研究较少。当前的研究多是采用工艺探索与试验测试相结合的方式，缺乏对防热材料传热性能的准确预测。
[0005]材料在热解过程的不同阶段，物性及材料微结构会发生显著的变化，针对热解过程中材料热导率等物性参数的测试，缺少有效的实验手段，且仿真研究也较少。大多数测试仍然侧重在完全炭化后及原始材料的物性参数，而在热解过程的不同阶段，材料的热导率的变化，缺少有效的手段。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种考虑气动加热条件下树脂基防热材料物性及微结构演化的传热特性确定方法，解决了现有技术中无法对树脂基防热材料的热解过程不同阶段的物性参数进行有效预测的难题。
[0007]本专利技术的技术解决方案是：
[0008]一种树脂基材料考虑物性及微结构演化的传热特性确定方法，包括以下步骤：
[0009]1)对经过地面风洞试验后的树脂基防热材料切取不同位置的材料样品，编号分别为A1～A6，得到气动加热条件下不同热解程度的材料样品，进行重量和尺寸的测量，得到材料的密度结果。
[0010]2)根据表层A1得到的密度结果以及材料原始材料层的密度结果，得到切取的不同位置的材料的热解度的值。
[0011]3)对树脂基防热材料不同位置A1～A6进行微结构扫描观测，获得不同位置对应的防热材料的微结构图像；
[0012]4)根据步骤3)获得的微结构图像，分别对纳米尺度孔隙、微米尺度孔隙，纤维尺寸进行统计，获得不同位置切片的纳米尺度孔隙率、孔隙尺寸分布、微米尺度孔隙率、孔隙尺寸分布以及纤维的尺寸统计结果；
[0013]5)根据纳米、微米尺度的孔隙尺寸以及纤维尺寸的范围，确定控制体的尺寸；控制体用于模拟树脂基防热材料；
[0014]6)在控制体内不同位置，根据纳米尺度孔隙尺寸的分布规律，生成与纳米尺度孔隙尺寸分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟纳米尺度孔隙，获得有限元模型；根据微米尺度孔隙尺寸的分布规律，生成与微米尺度孔隙尺寸分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟微米尺度孔隙，获得有限元模型；根据纤维尺寸的分布规律，生成与纤维尺寸分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟纳米纤维，获得有限元模型；
[0015]7)根据步骤6)建立的有限元模型，进行体网格的划分；
[0016]8)对步骤7)获得的进行体网格划分后的有限元模型，施加温度边界条件及周期性边界条件
[0017]9)求解获得控制体的等效热导率。
[0018]进一步的，所述步骤1)所述获得不同热解程度的材料样品，进行重量及尺寸测量，计算得到材料的热解度，具体为：
[0019]1.1)采用线切割的方法切取长宽都为15mm的样品，然后从表面碳化层开始，切取厚度为1mm的薄片，编号分别为A1～A6。
[0020]1.2)将切取后的样品放在烘干箱中，设置70℃的温度，保湿24小时。
[0021]1.3)测量各薄片的实际尺寸和重量，计算得到密度值ρ1～ρ6，ρ1为完全炭化后的材料密度，ρ6非常接近原始材料密度，取ρ6为原始材料密度值。
[0022]进一步的，步骤2)根据各层的密度结果，计算得到热解度的值，具体为：
[0023]2.1)定义材料内部热解率为：
[0024][0025]其中，ρ为材料的当前密度；ρ
c
为材料完全热解后的密度；ρ
p
为原始未热解材料的密度。根据此式及A1为炭化材料，A6为原始材料的物性，可计算得到A2～A4的热解度。
[0026]2.2)树脂热解过程中的热导率可表示为热解率χ的函数：
[0027]k＝(1
‑
χ)k
p
+χk
c
[0028]其中，k
p
为原始未热解材料的热导率；k
c
为材料完全热解后的热导率。
[0029]进一步的，所述步骤3)进行微结构扫描观测，具体为：
[0030]3.1)将材料样品放在喷金仪上进行喷金处理；
[0031]3.2)将喷金后的材料样品放在扫描电镜中进行观测，调整材料样品在镜头下的位置，得到材料微结构图像；
[0032]3.3)重复步骤3.2)多次，获得A1～A6对应的防热材料的微结构图像。
[0033]进一步的，所述步骤4)获得纳米尺度孔隙率、孔隙尺寸分布、微米尺度孔隙率、孔隙尺寸分布以及纤维的尺寸统计结果，具体为：
[0034]根据步骤3)得到的微结构图像，利用软件进行纳米尺度孔隙率、孔隙尺寸分布、微米尺度孔隙率、孔隙尺寸分布以及纤维的尺寸统计，获得孔隙率的值及微结构尺寸的分布。
[0035]进一步的，步骤5)控制体为立方体，立方体的边长大于孔隙直径的二十倍以上。
[0036]进一步的，步骤6)生成与孔隙尺寸、纤维尺寸的分布规律对应的微结构组元的方法，具体为：
[0037]根据统计结果，在纳米尺度控制体内生成纳米孔隙，根据统计结果，在微米尺度控制体内生成微米孔隙及纤维。孔隙率及纤维体积分数与统计结果保持一致。
[0038]进一步的，步骤7)：微结构组元的网格尺寸等于1/5～1/20倍的球形孔隙的直径。
[0039]进一步的，步骤8)中施加温度边界条件和周期性边界条件的方法，具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种树脂基材料考虑物性及微结构演化的传热特性确定方法，其特征在于，包括：(1)对经过地面风洞试验后的树脂基防热材料切取不同位置的材料样品，得到气动加热条件下不同热解程度的材料样品，进行重量和尺寸的测量，得到材料的密度结果；(2)根据材料样品表层得到的密度结果以及材料原始材料层的密度结果，得到切取的不同位置的材料的热解度的值，并用并联模型计算得到不同热解度对应的树脂热导率的值；(3)对树脂基防热材料不同位置材料样品进行微结构扫描观测，获得不同位置对应的防热材料的微结构图像；(4)根据步骤(3)获得的微结构图像，分别对纳米尺度孔隙、微米尺度孔隙，纤维尺寸进行统计，获得不同位置切片的纳米尺度孔隙率、孔隙尺寸分布、微米尺度孔隙率、孔隙尺寸分布以及纤维的尺寸统计结果；(5)根据纳米、微米尺度的孔隙尺寸以及纤维尺寸的范围，确定控制体的尺寸；控制体用于模拟树脂基防热材料；(6)在控制体内不同位置，根据纳米尺度孔隙尺寸的分布规律，生成与纳米尺度孔隙尺寸分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟纳米尺度孔隙，获得有限元模型；根据微米尺度孔隙尺寸的分布规律，生成与微米尺度孔隙尺寸分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟微米尺度孔隙，获得有限元模型；根据纤维尺寸的分布规律，生成与纤维尺寸分布规律对应的微结构组元，使用微结构组元模拟纳米纤维，获得有限元模型；(7)根据步骤(6)建立的有限元模型，进行体网格的划分；(8)对步骤(7)获得的进行体网格划分后的有限元模型，施加温度边界条件及周期性边界条件；(9)求解获得控制体的等效热导率。2.根据权利要求1所述的一种树脂基材料考虑物性及微结构演化的传热特性确定方法，其特征在于，步骤(1)所述获得不同热解程度的材料样品，进行重量及尺寸测量，计算得到材料的密度结果，具体为：(1.1)采用线切割的方法切取长宽都为15mm的样品，然后从表面碳化层开始，切取厚度为1mm的薄片，编号分别为A1～A6；(1.2)将切取后的样品放在烘干箱中，设置70℃的温度，保湿24小时；(1.3)测量A1～A6各薄片的实际尺寸和重量，计算得到密度值ρ1～ρ6，ρ1为完全炭化后的材料密度，ρ6接近原始材料密度，取ρ6为原始材料密度值ρ
p
。3.根据权利要求2所述的一种树脂基材料考虑物性及微结构演化的传热特性确定方法，其特征在于，步骤(2)根据各层的密度结果，计算得到热解度的值，以及对应的树脂热导率，具体为：(2.1)材料内部热解率为：其中，ρ为材料的当前密度；ρ
c
为材料完全热解后的密度；ρ
p
为原始材料密度值；根据此式及A1层为炭化材料，A6层为原始材料的物性，计算得到A2～A4层的热解度；
(2.2)树脂热解过程中的热导率表示为热解率χ的函数：k＝(1
‑
χ)k
p
+χk
c
其中，k
p
为原始未热解材料的热导率；k
c
为材料完全热解后的热导率。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：高俊杰，邓代英，罗晓光，韩海涛，俞继军，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：