氧化锆纤维高温隔热材料传热性能研究*

韩 丁 郑世刚 孙现凯 张世超 方 凯 艾 兵 陶柳实 王春鹏 孙浩然

(1 中国建筑材料科学研究总院有限公司 北京 100024)(2 火箭军某部军代室)

随着航空航天技术的快速发展,热防护系统和热防护材料的研究日益成为制约其发展的关键技术瓶颈。飞行器用冲压发动机燃烧室等部件的结构温度不断提高,特别是采用陶瓷基复合的发动机燃烧室结构温度高达2 000℃以上,热防护系统和热防护材料是发展和保障高速飞行器动力系统在极端环境下安全服役的基础。为了满足动力系统在超高温工作环境下的生存能力,突破热防护的“新热障”问题,高效热防护材料必须提高抗极端服役环境能力,满足动力系统热防护系统的耐温性、耐久性和可靠性需求。对耐高温高性能隔热材料提出更高的要求。其中氧化锆纤维隔热材料是发动机超高温隔热应用的关键材料。

氧化锆是一种无味无臭的白色晶体。其特点为不溶于水,几乎不溶于强酸,且不同温度状态下有着三种晶体结构,故其有着很好的高温稳定性和抗热冲击性。纯氧化锆具有三种物相晶体结构,分别为单斜相氧化锆(m-Zr O2)、四方相氧化锆(t-Zr O2)和立方相氧化锆(c-Zr O2)。这三种物相结构分别属于三种不同晶系,并且能够在特定的条件下进行物相的相互转化。而氧化锆最常见的相变是单斜相与四方相氧化锆之间的转变,在转变的过程中往往会伴随着的3%～5%体积变化和7%～8%的切应变。氧化锆纤维具有超高温隔热要求的高熔点(2 700℃)、耐腐蚀性、抗氧化、低热导率和稳定的高温化学稳定性的特点,还具有长径比和比表面积大、较好的强度和韧性,并且相比于其它金属氧化物,有着更好的隔热性能和力学性能[1～6]。

氧化锆纤维隔热材料内部换热过程包括:纤维固体材料的导热、隔热材料内部气体的导热和对流换热、辐射换热,氧化锆隔热材料的实际应用中,传热问题是复杂的耦合换热,这对隔热材料的设计和优化带来较大的不确定性,因此对纤维隔热材料复杂耦合传热过程进行研究具有重要意义。笔者将以氧化锆纤维隔热材料为研究对象,通过数值仿真和试验研究隔热材料在不同温度和压力服役条件下各种传热形式对材料整体换热特性的影响,以期对隔热设计和性能优化方案提供参考。

1 数值分析模型

从纤维类隔热材料的服役环境而言,氧化锆纤维隔热材料内部传热过程包含导热、对流、辐射三种换热形式的耦合。其中,纤维材料固体导热可以作为无内热源的非稳态导热问题,由于服役过程中,氧化锆隔热纤维处于多层辐射屏蔽层内部,隔热材料内部气体内部流动形成的扰动较小,内部对流换热主要受气体导热影响。此热环境可近似为一维稳态无内热源导热和辐射耦合传热。其能量控制方程为:

边界条件:T(x,0)=T0;T(0,τ)=T1;T(L,τ)=T2,其中ρ为有效密度,c为有效比热容,T 为温度,L为厚度,λ为纤维固体热导率。

工程上采用光学厚度法来近似计算辐射换热,光学厚度的定义为试样的厚度与消光系数的乘积,将隔热材料按灰体处理,辐射热流密度和辐射导热系数可以由如下式表示:

固气的复合导热系数λ是纤维板的有效导热系数,对于该系数的确定,有着不同的经验公式。纤维板的固体导热系数较为常见的计算模型则可以参考如下公式:

其中f是固体比,代表了纤维板中的固体纤维所占的比例,可由纤维板的密度与纤维本体材料的密度之比来表示。

因为纤维板是纤维固体和气体(空隙的存在)的复合体,因此纤维板的有效的导热系数模型需要进一步的确定和优化。在科研和工程人员的研究过程中,较为常用的为并联传热模型。

λg是气体的导热系数,可由如下公式表示:

KB为玻尔兹曼常数,dg为气体的分子碰撞直径,T和P分别为压力(Pa)和温度(K)。将(3)、(4)、(5)、(6)、(7)联立进行求解,可以最终得到纤维板的有效导热系数λ。

从公式中可以看到,有效导热系数是温度T 的函数,在公式(8)中,消光系数是需要进一步去确定,而消光系数往往使用温度的一次函数(a+b*T)来进行表示。因此本文在通过实验获得的有效导热系数的基础上,利用穷举算法将理论值与实验值进行比较和拟合,来进一步地确定消光系数中的一次函数的系数a和b,最终得到有效导热系数关于温度和压力(气体导热系数λg是压力P和温度T 的函数)的函数,根据并联传热模型的导热系数关系可以进一步确定不同传热方式在不同温度和压力下的影响占比[2]。

2 分析结果

选用国产短切氧化锆纤维为研究对象,制备隔热试样。氧化锆短切纤维彼此堆垛在一起呈棉絮状,如图1(a)所示;经分散处理后,微观形貌如图1(b)所示,纤维表面较为光滑致密,纤维直径为6～8μm。计算模型中纤维直径选取7μm。

图1 氧化锆纤维形貌Fig.1 Zirconia fiber morphology

结合有效导热系数的实测值与公式(8),利用穷举法使得计算结果逼近实测值,如图6所示。在误差最低的情况下,得出消光系数随温度变化的函数,从而进一步确定辐射传热系数。结合气体导热公式可以研究不同温度和压力下,传热方式的影响占比。

计算分析结果如图2所示,在常压下,随着温度的增加,导热、对流两种传热占比逐渐减小,辐射传热占比逐渐增加,当温度超过1 800 K 时,辐射超过对流,逐渐成为隔热材料内部的主要传热方式。因此2 000 K 以上的超高温隔热优化方向主要方向是降低辐射换热,特别是2 500 K 以上,氧化锆纤维隔热材料内部传热占比超过50%。

图2 常压下不同温度条件下三种传热方式占比Fig.2 The proportion of three heat transfer modes underdifferent temperature conditions at atmospheric pressure

温度是影响隔热材料传热方式的重要因素,除此之外,压力也对材料的传热方式起着重要作用。对1 000℃、1 500℃、2 000℃三个典型温度点氧化锆隔热材料内部三种传热方式在不同压力条件下所占比例进行详细说明。如图3、图4和图5所示,当P≤1 010 Pa时,对流占比显著降低,可以忽略不计,传热以纤维导热和辐射传热为主,其中当温度较低时,纤维固体导热对于隔热材料传热起着主导性作用。随着压强的升高,气体传热的影响占比迅速增加,在温度较小时将成为传热的主导因素,只有温度较高时,辐射对传热的主导作用才无法被取代。如图5所示,在10个大气压的情况下,当温度升高到2 000℃,辐射传热的影响占比将大于气体传热,而在实际情况下,隔热材料很少会处于1 MPa的环境内,这也表明,辐射传热仍将是高温环境下隔热材料的首要的考虑因素。

图3 热面1 000℃不同压力条件下三种传热方式占比Fig.3 The proportions of three heat transfer modes under different pressure at 1 000℃on hot surface.

图4 热面1 500℃不同压力条件下三种传热方式占比Fig.4 The proportions of three heat transfer modes under different pressure at 1 500℃on hot surface.

图5 热面2 000℃不同压力条件下三种传热方式占比Fig.5 The proportions of three heat transfer modes under different pressure at 2 000℃on hot surface.

3 试验验证

采用水流量平板法测试隔热材料的在标准大气压条件下、典型温度下、典型隔热层密度条件下热导率,并与计算结果进行对比,吻合度较高,结果见图6。

图6 有效导热系数的实测值与计算值比较Fig.6 Comparison of the measured and calculated effective thermal conductivity

结合试验数据修正,将隔热材料制成隔热瓦进行电弧风洞试验考核。考核氧化锆隔热试样在中高温及超高温下的隔热性能。其中电弧风洞试验如图7 所示。试验过程中通过红外测试隔热材料热面温度,K型热电偶测试隔热材料背面温度,将测试热面温度作为计算输入,计算隔热背面温度与计算结果对比表明,计算结果的一致性较好。

图8 氧化锆隔热材料试样热面温度Fig.8 The hot surface temperature of Zirconia thermal insulation material sample

图9 氧化锆隔热材料试样冷面温度Fig.9 The cold surface temperature of Zirconia thermal insulation material sample

4 结论

以短切氧化锆纤维制备的隔热材料为对象,利用数值计算对大量实验数据进行分析求解并开展对比试验,研究工程应用条件下,温度和压力对隔热材料传热方式的影响。主要结论如下:

(1)2 000 K 以上的超高温隔热优化方向主要是降低辐射换热,特别是2 500 K 以上时,氧化锆纤维隔热材料内部传热占比超过50%。辐射换热的抑制是超高温隔热设计和制备的关键。

(2)低气压环境可以显著降低隔热综合热导率,工程应用中对1 000 k Pa以下服役环境压力下可以忽略内部气体的对流换热影响。在后续的研究中,将进一步积累实验数据,对具体的温度和压力进行逼近,以指导更精准的隔热方案设计。