炭化复合材料细观烧蚀理论研究

In this project, the ablation characteristics and thermo-mechanical behavior of carbonization composites for heat-resistant structures in new generation aircraft, return cabin and interstellar detectors are studied in the macro-mesoscopic scale by means of experimental characterization, theoretical modeling and numerical simulation. The mesoscopic ablation and spallation mechanisms for carbonized materials in extreme environments is revealed by using static and dynamic ablation experiments and on-line detection technology. The effects of different oxygen partial pressure and temperature on the surface ablation morphology and the complex heat and mass transfer mechanism for porous material are investigated. The surface mesoscopic ablation model associated with the meso-structure and component material is established. Combined with macroscopic thermochemical ablation theory, the influence of microstructure evolution and phase transition on the thermodynamic performance is determined by the temperature-diffusion-displacement multi-field coupling simulation. Finally, an ablation and spallation coupling model considering the interaction between surface ablation and volume ablation is established to improve the prediction accuracy of the ablative behavior of carbonized composite materials. The aim of this study is to break through the limitations of traditional macroscopic thermochemical ablation theory, explore the basic framework of mesoscopic ablation theory, and lay a theoretical foundation for the design and application of ablative heat-resistant materials.

本项目针对新一代飞行器、返回舱及星际探测器等防热结构用炭化复合材料，拟采用实验表征、理论建模和数值模拟三种研究手段，从宏细观尺度分别开展材料烧蚀特性和热力学行为研究。通过静、动态烧蚀实验及在线检测技术揭示极端环境下炭化材料的细观烧/剥蚀机理，研究不同氧分压、温度对表面烧蚀形貌的影响及多孔介质的复杂传热传质机制，建立与细观结构和组分材料关联的表面细观烧蚀模型；结合宏观热化学烧蚀理论进行温度/扩散/位移多场耦合模拟，确定材料微结构演化和相变对热力学性能的影响规律，最终建立考虑表面烧蚀和体积烧蚀之间相互作用的烧/剥蚀耦合模型，提高炭化复合材料烧蚀性能的预示精度，突破传统宏观热化学烧蚀理论的局限性，探索和形成细观烧蚀理论的基础框架，为烧蚀型防热材料的设计和应用奠定理论基础。

本项目针对新一代飞行器、返回舱及星际探测器等防热结构用炭化复合材料，采用实验表征、理论建模和数值模拟三种研究手段，从宏细观尺度分别开展材料烧蚀特性和热力学行为研究。通过炭化复合材料热解及烧蚀实验，揭示了氧分压、气体氛围、加热温度和加热时间等因素对材料烧蚀行为的影响规律，研究了不同细观结构特征的预制体在烧蚀条件下的内部损伤特性。建立了炭化复合材料表面细观烧蚀模型及其模拟方法，开发出求解表面细观烧蚀模型的计算机仿真代码，通过与解析解比较完成了模型与模拟方法验证，分析了影响材料细观烧蚀性能的关键影响因素。提出了一种基于CT的三维编织复合材料的精细化建模方法，建立了炭化复合材料细观体积烧蚀模型及模拟方法，实现了细观体积烧蚀模型的紧耦合仿真，分析了编织结构特征对体积烧蚀性能的影响规律。建立了宏观尺度炭化复合材料热-烧蚀耦合模型与热-流-化学-烧蚀耦合模型，并提出了材料响应与气动热响应耦合策略，实现了炭化复合材料多场耦合性能仿真。针对烧/剥蚀耦合问题中所涉及到的细观结构问题，提出了炭化复合材料细观结构高保真建模方法、零能控制方法、FEM-FFT双向耦合多尺度方法，为烧/剥蚀耦合分析提供了理论基础。针对烧蚀条件下炭化复合材料热应力损伤问题，建立了编织炭化热防护材料的热/力/化学反应耦合模型，编写了热本构关系子程序与力学本构关系子程序，探究了三维四向编织碳/酚醛复合材料在辐射热流作用下的体烧蚀响应。开发了基于数据驱动的编织炭化复合材料结构力学性能高效多尺度分析方法，实现了细观结构非线性力学响应的极速求解，效率极高且可靠性强。采用氧/乙炔焰对碳/酚醛复合材料进行了烧蚀实验，结合计算流体力学分析手段，探究了纤维单丝在气动力作用下发生的剥落破坏行为。本项目突破传统宏观热化学烧蚀理论的局限性，探索和形成细观烧蚀理论的基础框架，为烧蚀型防热材料的设计和应用奠定理论基础。