韓 丁 鄭世剛 孫現(xiàn)凱 張世超 方 凱 艾 兵 陶柳實(shí) 王春鵬 孫浩然

(1 中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 北京 100024)(2 火箭軍某部軍代室)

隨著航空航天技術(shù)的快速發(fā)展,熱防護(hù)系統(tǒng)和熱防護(hù)材料的研究日益成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。飛行器用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等部件的結(jié)構(gòu)溫度不斷提高,特別是采用陶瓷基復(fù)合的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)溫度高達(dá)2 000℃以上,熱防護(hù)系統(tǒng)和熱防護(hù)材料是發(fā)展和保障高速飛行器動(dòng)力系統(tǒng)在極端環(huán)境下安全服役的基礎(chǔ)。為了滿足動(dòng)力系統(tǒng)在超高溫工作環(huán)境下的生存能力,突破熱防護(hù)的“新熱障”問(wèn)題,高效熱防護(hù)材料必須提高抗極端服役環(huán)境能力,滿足動(dòng)力系統(tǒng)熱防護(hù)系統(tǒng)的耐溫性、耐久性和可靠性需求。對(duì)耐高溫高性能隔熱材料提出更高的要求。其中氧化鋯纖維隔熱材料是發(fā)動(dòng)機(jī)超高溫隔熱應(yīng)用的關(guān)鍵材料。

氧化鋯是一種無(wú)味無(wú)臭的白色晶體。其特點(diǎn)為不溶于水,幾乎不溶于強(qiáng)酸,且不同溫度狀態(tài)下有著三種晶體結(jié)構(gòu),故其有著很好的高溫穩(wěn)定性和抗熱沖擊性。純氧化鋯具有三種物相晶體結(jié)構(gòu),分別為單斜相氧化鋯(m-Zr O2)、四方相氧化鋯(t-Zr O2)和立方相氧化鋯(c-Zr O2)。這三種物相結(jié)構(gòu)分別屬于三種不同晶系,并且能夠在特定的條件下進(jìn)行物相的相互轉(zhuǎn)化。而氧化鋯最常見(jiàn)的相變是單斜相與四方相氧化鋯之間的轉(zhuǎn)變,在轉(zhuǎn)變的過(guò)程中往往會(huì)伴隨著的3%～5%體積變化和7%～8%的切應(yīng)變。氧化鋯纖維具有超高溫隔熱要求的高熔點(diǎn)(2 700℃)、耐腐蝕性、抗氧化、低熱導(dǎo)率和穩(wěn)定的高溫化學(xué)穩(wěn)定性的特點(diǎn),還具有長(zhǎng)徑比和比表面積大、較好的強(qiáng)度和韌性,并且相比于其它金屬氧化物,有著更好的隔熱性能和力學(xué)性能[1～6]。

氧化鋯纖維隔熱材料內(nèi)部換熱過(guò)程包括:纖維固體材料的導(dǎo)熱、隔熱材料內(nèi)部氣體的導(dǎo)熱和對(duì)流換熱、輻射換熱,氧化鋯隔熱材料的實(shí)際應(yīng)用中,傳熱問(wèn)題是復(fù)雜的耦合換熱,這對(duì)隔熱材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化帶來(lái)較大的不確定性,因此對(duì)纖維隔熱材料復(fù)雜耦合傳熱過(guò)程進(jìn)行研究具有重要意義。筆者將以氧化鋯纖維隔熱材料為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究隔熱材料在不同溫度和壓力服役條件下各種傳熱形式對(duì)材料整體換熱特性的影響,以期對(duì)隔熱設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化方案提供參考。

1 數(shù)值分析模型

從纖維類隔熱材料的服役環(huán)境而言,氧化鋯纖維隔熱材料內(nèi)部傳熱過(guò)程包含導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射三種換熱形式的耦合。其中,纖維材料固體導(dǎo)熱可以作為無(wú)內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題,由于服役過(guò)程中,氧化鋯隔熱纖維處于多層輻射屏蔽層內(nèi)部,隔熱材料內(nèi)部氣體內(nèi)部流動(dòng)形成的擾動(dòng)較小,內(nèi)部對(duì)流換熱主要受氣體導(dǎo)熱影響。此熱環(huán)境可近似為一維穩(wěn)態(tài)無(wú)內(nèi)熱源導(dǎo)熱和輻射耦合傳熱。其能量控制方程為:

邊界條件:T(x,0)=T0;T(0,τ)=T1;T(L,τ)=T2,其中ρ為有效密度,c為有效比熱容,T 為溫度,L為厚度,λ為纖維固體熱導(dǎo)率。

工程上采用光學(xué)厚度法來(lái)近似計(jì)算輻射換熱,光學(xué)厚度的定義為試樣的厚度與消光系數(shù)的乘積,將隔熱材料按灰體處理,輻射熱流密度和輻射導(dǎo)熱系數(shù)可以由如下式表示:

固氣的復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)λ是纖維板的有效導(dǎo)熱系數(shù),對(duì)于該系數(shù)的確定,有著不同的經(jīng)驗(yàn)公式。纖維板的固體導(dǎo)熱系數(shù)較為常見(jiàn)的計(jì)算模型則可以參考如下公式:

其中f是固體比,代表了纖維板中的固體纖維所占的比例,可由纖維板的密度與纖維本體材料的密度之比來(lái)表示。

因?yàn)槔w維板是纖維固體和氣體(空隙的存在)的復(fù)合體,因此纖維板的有效的導(dǎo)熱系數(shù)模型需要進(jìn)一步的確定和優(yōu)化。在科研和工程人員的研究過(guò)程中,較為常用的為并聯(lián)傳熱模型。

λg是氣體的導(dǎo)熱系數(shù),可由如下公式表示:

KB為玻爾茲曼常數(shù),dg為氣體的分子碰撞直徑,T和P分別為壓力(Pa)和溫度(K)。將(3)、(4)、(5)、(6)、(7)聯(lián)立進(jìn)行求解,可以最終得到纖維板的有效導(dǎo)熱系數(shù)λ。

從公式中可以看到,有效導(dǎo)熱系數(shù)是溫度T 的函數(shù),在公式(8)中,消光系數(shù)是需要進(jìn)一步去確定,而消光系數(shù)往往使用溫度的一次函數(shù)(a+b*T)來(lái)進(jìn)行表示。因此本文在通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的有效導(dǎo)熱系數(shù)的基礎(chǔ)上,利用窮舉算法將理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較和擬合,來(lái)進(jìn)一步地確定消光系數(shù)中的一次函數(shù)的系數(shù)a和b,最終得到有效導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)于溫度和壓力(氣體導(dǎo)熱系數(shù)λg是壓力P和溫度T 的函數(shù))的函數(shù),根據(jù)并聯(lián)傳熱模型的導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系可以進(jìn)一步確定不同傳熱方式在不同溫度和壓力下的影響占比[2]。

2 分析結(jié)果

選用國(guó)產(chǎn)短切氧化鋯纖維為研究對(duì)象,制備隔熱試樣。氧化鋯短切纖維彼此堆垛在一起呈棉絮狀,如圖1(a)所示;經(jīng)分散處理后,微觀形貌如圖1(b)所示,纖維表面較為光滑致密,纖維直徑為6～8μm。計(jì)算模型中纖維直徑選取7μm。

圖1 氧化鋯纖維形貌Fig.1 Zirconia fiber morphology

結(jié)合有效導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)值與公式(8),利用窮舉法使得計(jì)算結(jié)果逼近實(shí)測(cè)值,如圖6所示。在誤差最低的情況下,得出消光系數(shù)隨溫度變化的函數(shù),從而進(jìn)一步確定輻射傳熱系數(shù)。結(jié)合氣體導(dǎo)熱公式可以研究不同溫度和壓力下,傳熱方式的影響占比。

計(jì)算分析結(jié)果如圖2所示,在常壓下,隨著溫度的增加,導(dǎo)熱、對(duì)流兩種傳熱占比逐漸減小,輻射傳熱占比逐漸增加,當(dāng)溫度超過(guò)1 800 K 時(shí),輻射超過(guò)對(duì)流,逐漸成為隔熱材料內(nèi)部的主要傳熱方式。因此2 000 K 以上的超高溫隔熱優(yōu)化方向主要方向是降低輻射換熱,特別是2 500 K 以上,氧化鋯纖維隔熱材料內(nèi)部傳熱占比超過(guò)50%。

圖2 常壓下不同溫度條件下三種傳熱方式占比Fig.2 The proportion of three heat transfer modes underdifferent temperature conditions at atmospheric pressure

溫度是影響隔熱材料傳熱方式的重要因素,除此之外,壓力也對(duì)材料的傳熱方式起著重要作用。對(duì)1 000℃、1 500℃、2 000℃三個(gè)典型溫度點(diǎn)氧化鋯隔熱材料內(nèi)部三種傳熱方式在不同壓力條件下所占比例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖3、圖4和圖5所示,當(dāng)P≤1 010 Pa時(shí),對(duì)流占比顯著降低,可以忽略不計(jì),傳熱以纖維導(dǎo)熱和輻射傳熱為主,其中當(dāng)溫度較低時(shí),纖維固體導(dǎo)熱對(duì)于隔熱材料傳熱起著主導(dǎo)性作用。隨著壓強(qiáng)的升高,氣體傳熱的影響占比迅速增加,在溫度較小時(shí)將成為傳熱的主導(dǎo)因素,只有溫度較高時(shí),輻射對(duì)傳熱的主導(dǎo)作用才無(wú)法被取代。如圖5所示,在10個(gè)大氣壓的情況下,當(dāng)溫度升高到2 000℃,輻射傳熱的影響占比將大于氣體傳熱,而在實(shí)際情況下,隔熱材料很少會(huì)處于1 MPa的環(huán)境內(nèi),這也表明,輻射傳熱仍將是高溫環(huán)境下隔熱材料的首要的考慮因素。

圖3 熱面1 000℃不同壓力條件下三種傳熱方式占比Fig.3 The proportions of three heat transfer modes under different pressure at 1 000℃on hot surface.

圖4 熱面1 500℃不同壓力條件下三種傳熱方式占比Fig.4 The proportions of three heat transfer modes under different pressure at 1 500℃on hot surface.

圖5 熱面2 000℃不同壓力條件下三種傳熱方式占比Fig.5 The proportions of three heat transfer modes under different pressure at 2 000℃on hot surface.

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用水流量平板法測(cè)試隔熱材料的在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下、典型溫度下、典型隔熱層密度條件下熱導(dǎo)率,并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,吻合度較高,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 有效導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較Fig.6 Comparison of the measured and calculated effective thermal conductivity

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正,將隔熱材料制成隔熱瓦進(jìn)行電弧風(fēng)洞試驗(yàn)考核?？己搜趸喐魺嵩嚇釉谥懈邷丶俺邷叵碌母魺嵝阅?。其中電弧風(fēng)洞試驗(yàn)如圖7 所示。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)紅外測(cè)試隔熱材料熱面溫度,K型熱電偶測(cè)試隔熱材料背面溫度,將測(cè)試熱面溫度作為計(jì)算輸入,計(jì)算隔熱背面溫度與計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明,計(jì)算結(jié)果的一致性較好。

圖8 氧化鋯隔熱材料試樣熱面溫度Fig.8 The hot surface temperature of Zirconia thermal insulation material sample

圖9 氧化鋯隔熱材料試樣冷面溫度Fig.9 The cold surface temperature of Zirconia thermal insulation material sample

4 結(jié)論

以短切氧化鋯纖維制備的隔熱材料為對(duì)象,利用數(shù)值計(jì)算對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析求解并開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn),研究工程應(yīng)用條件下,溫度和壓力對(duì)隔熱材料傳熱方式的影響。主要結(jié)論如下:

(1)2 000 K 以上的超高溫隔熱優(yōu)化方向主要是降低輻射換熱,特別是2 500 K 以上時(shí),氧化鋯纖維隔熱材料內(nèi)部傳熱占比超過(guò)50%。輻射換熱的抑制是超高溫隔熱設(shè)計(jì)和制備的關(guān)鍵。

(2)低氣壓環(huán)境可以顯著降低隔熱綜合熱導(dǎo)率,工程應(yīng)用中對(duì)1 000 k Pa以下服役環(huán)境壓力下可以忽略內(nèi)部氣體的對(duì)流換熱影響。在后續(xù)的研究中,將進(jìn)一步積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)具體的溫度和壓力進(jìn)行逼近,以指導(dǎo)更精準(zhǔn)的隔熱方案設(shè)計(jì)。