碳纤维复合材料燃气射流热冲击研究：冲蚀形貌及热力分析*

赵昌方， 周志坛， 张克斌， 仲健林， 任 杰， 乐贵高

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094；2. 南昌航空大学 飞行器工程学院，江西 南昌 330063；3. 新加坡国立大学 工学院 机械工程系，肯特岗 117575)

0 引言

碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种先进的材料，其具有非常优异的力学性能，被誉为“黑金”.相比于钢、铝等传统金属材料，CFRP则具有更高的比刚度、比强度、比模量、比吸能、耐腐蚀性、抗电磁屏蔽等优势[1-3].目前，已被广泛应用在武器系统的冲击防护工程[4-5]、车辆的防撞缓冲装置[6]、缓冲吸能结构设计[7]等领域，同时，CFRP以其质量小、力学性能突出的特点被许多轻量化设备采用.火箭弹/导弹等武器发射装备为了能获得更高的机动性和携带更多的物资，也将目标材料锁定在CFRP上.安庆升等[8]对CFRP发射筒进行了设计，并开展了气密、水压、吊装、运输和发射等试验.发射试验指出，在内壁涂上耐烧蚀层后，发射一次仅出现微黄而无烧蚀，不影响第二次发射，极大程度地提升了发射效率.然而，CFRP在火箭弹/导弹武器上应用时，尤其是发射单元，会面临着高温高压燃气射流冲击和烧蚀问题.发射管内部有耐烧蚀涂层，但外壁及其他部件均没有.因此，研究CFRP的瞬态燃气射流冲击对火箭弹/导弹等武器的材料创新有着重要意义.

近年来，CFRP的热冲击研究主要表现在稳态高温环境下的冲击，研究其热相关本构，以及高温环境CFRP的热氧老化对力学性能的影响[9].陈雯等[10]测试了单向和平纹编织CFRP的燃烧特性，指出CFRP的燃烧由环氧树脂主导，碳纤维不燃烧.吴恩启等[11]对编织的CFRP进行了热扩散分析，得到了孔隙率对热扩散系数的影响规律.邱雪琼等[12]通过实验测试了不同铺层方式下CFRP层合板的热导率，这可为CFRP传热仿真提供参考.李翰等[13]针对单向铺层的CFRP进行了高温热响应研究，获取了炭化层、热裂解层随深度的反应率和变化规律.关于碳纤维复合材料的高温烧蚀，研究更多的是碳/碳复合材料，这种材料以碳为基体、碳纤维为增强体，从而大幅提高其耐烧蚀性能，被广泛应用于喷管喉部和热防护结构等关键部位[14-15].关于CFRP燃气射流热冲击的研究较少.一方面是因为早些年CFRP生产技术落后，导致造价高，在火箭武器系统上的应用较少.另一方面是因为近年来冷发射技术和隔热涂层技术的提升，一些发射装置无须考虑燃气烧蚀问题.然而，在复杂化多方位的现代战争中，任何战况都有可能出现，CFRP燃气射流热冲击也会有所体现.因此，关于CFRP的燃气射流冲击实验及烧蚀情况分析仍然需要进一步完善和揭示.

为深入了解燃气射流冲击裸露的CFRP及冲击产物的情况，本文开展了燃气射流冲击实验和热/流/固仿真分析，其中，燃气射流冲击模拟火箭弹/导弹发射瞬间的瞬态特征，数值模拟也相应地采用瞬态计算.对冲击后的CFRP试件，采用扫描电子显微镜(SEM)进行了微观表征，获取了冲击形貌和燃烧产物分布情况.研究结果可为CFRP在火箭武器系统上的应用提供科学参考，尤其是位于发射单元附近的CFRP结构.

1 实验部分

1.1 实验过程

CFRP燃气射流冲击实验场景布置如图1所示.拉瓦尔喷管(火箭发动机)被安装在卧式固定架上，冲击平面正对着喷管出口，距离500 mm.CFRP试件和环氧树脂试件采用耐高温胶带粘贴在冲击平面上.在燃气流场旁边设置一个压力监测器，测流场静压.CFRP试件为单层T300/3K平纹编织碳纤维增强E-51环氧树脂复合材料，其树脂含量较高，厚度约1 mm.火箭发动机为长尾拉瓦尔喷管，其入口直径约32 mm、喉部直径约12 mm、出口直径约30 mm、长度约110 mm.推进剂采用双基固体/双铅-2推进剂.

1.2 结果分析

实验的目的是模拟火箭弹/导弹发射时燃气射流对发射单元的冲击，作用时间极短，通常为毫秒级.因此，本实验中拉瓦尔喷管的工作时间约20 ms.火箭发动机工作后燃气射流形态如图2所示.从图2(a)摄像机1视图中可以看出，点火后推进剂的燃烧产物由拉瓦尔喷管喷出，形成燃气射流核心区，即图中带有火光的红色区域.由于点火初期燃烧不充分，射流外围会出现二次燃烧现象，产生大量黑烟.当燃烧稳定后，射流形成稳定且清晰的马赫盘.如图2(b)摄像机2的视图所示，燃气射流在冲击平面上滞止，CFRP试件上出现明显的火红色冲蚀区域.由于喷管出口压强大于环境压强，因此燃气喷出喷管后先膨胀，然后再被大气压压缩，依次形成往复的马赫波节.然而，由于喷管直径小，其质量流率低，且作用时间短，导致该现象难以观测.因此，需要开展流体动力学仿真，以得到更加清晰的流场结构.

CFRP受高温高压燃气射流冲击后脱落，冲击区的温度散去后发生残余热变形.热变形是材料受热分布不均导致的结果.CFRP的残余热变形表现为沿对角线的翘曲，如图3所示.对于冲击区域，可大致分为4个圆环形损伤区，即，① 高温烧蚀区、② 高温过渡区、③ 低温冲蚀区、④ 低温冲刷区.高温烧蚀区温度最高，CFRP表面的环氧树脂被烧蚀变色，脱落后形成比较均匀的点阵坑.低温冲蚀区烧蚀较为轻微，大量的推进剂燃烧产物在这个区域冲蚀、堆积.高温过渡区介于两者之间，形成明显的色带.低温冲刷区几乎不受燃气影响，但从冲击区内向外横向运动的燃烧产物颗粒在此累积，可见黑色的冲刷纹路.为了观测每个区域材料的冲击特征，有必要进行微观测试与表征.

对CFRP的冲蚀区域进行了SEM微观形貌拍摄，4个区域的表征结果如图4所示.从图中可以看出，推进剂燃烧产物随燃气射流冲击黏附在CFRP板上，颗粒冲蚀是除烧蚀之外的最大破坏方式.双铅-2推进剂的原料包括硝化棉、硝化甘油、二硝基甲苯、2#中定剂、PbO、CaCO3[16]，推测其燃烧产物包括氮化物、碳化物的不稳定态，以及氧化铅、氧化钙固体颗粒.因此，未完全燃烧时必然会在大气中发生氧化还原反应，出现二次燃烧.另外，其氧化产物颗粒必然会对CFRP板进行冲蚀.残留在CFRP板上的污染即为这些氧化还原产物，会呈现出不同的微观形貌.对于核心烧蚀区①，燃烧产物由于受到更大的冲击力，残留的污染少、粒度小，且以颗粒物为主.该区域烧蚀最为严重，部分环氧树脂已被冲击/烧蚀脱落.过渡烧蚀区②，有少许被还原的燃烧产物，这些燃烧产物得到氧原子，形成特定的针状形貌.低温冲蚀区③和④则累积大量的氧化还原产物颗粒，颗粒表面形成了霜花状产物.王英红等[17]指出，表面越粗糙，越容易被烧蚀.因此，被燃气射流直接冲蚀过的CFRP在下一次冲蚀过程中会受到更大的影响，这是第一个需要考虑的问题.

2 仿真部分

2.1 仿真方法

流体动力学部分采用有限体积法进行模拟，使用的商业软件为Fluent.仿真模型仅取喷管部分和外流场部分，其1/4结构化网格见图5(a)，约37.5万网格.不考虑推进剂的化学组分和燃烧反应， 拉瓦尔喷管入口定义为压力入口，总温总压分别为2 000 K和3 MPa.外流场边界定义为压力出口，温度和压强与大气环境一致，分别为300 K和101 325 Pa.喷管壁面和冲击平面设为绝热粗糙壁面，以模拟CFRP板受冲击时的横向流动情况.壁面粗糙度采用标准模型，粗糙度高度设为10-6m，粗糙度常数为0.1.仿真采用瞬态算法，时间步长为1×e-4，采用SIMPLE压力-速度耦合模型，湍流模型采用剪切修正的k-w标准模型.燃气射流的三维Navier-Stokes流动控制方程及湍流流动k-w计算方程参考文献[18-21].

流体部分计算燃气射流达到冲击平面的压强和温度，而传热则以此为边界进一步计算CFRP瞬态传热的梯度和热-力残余变形.此外，CFRP为平纹织物，其面内的两个方向力学性能相同，但为了获取更为准确的传热过程和受力变形情况，本文采用基体+纤维的细观模型进行模拟.传热和变形的计算采用有限元法，网格模型如图5(b)所示，傅里叶传热控制方程和有限元瞬态热传导方程参考文献[22]，热-力耦合残余变形本构方程参考文献[23].仿真中的热-力学参数如表1所示.

表1 CFRP的热-力学参数Fig.1 Thermal-mechanical parameters of CFRP

2.2 流体部分

流体部分模拟的目的在于探索燃气流的分布情况，获取CFRP表面的瞬时温度和压强，以进行热力学计算.拉瓦尔喷管内流场及外流场温度和压强云图如图6所示，燃气经喷管喷出后开始膨胀，受大气压作用，在靠近冲击壁面处发生压缩.燃气在空气中传播时，压强和温度快速下降.喷管出口的总压测试结果约为0.3 MPa，与模拟结果接近.如图7(a)所示，压强峰值为0.211 MPa，位于冲击中心.如图7(b)和(e)所示，冲击至平面上的燃气最高温度为791 K，位于冲击板正中心，这与实验中CFRP板中心烧蚀最严重相吻合.图7(c)所示的剪切应力是设置粗糙壁面得到的结果，其最大值呈一个圆环，并没有落在冲击中心.冲击中心有射流的反溅，这是造成该现象的原因.粗糙度增大会导致壁面剪切应力增大，从而致使材料发生失效，例如树脂和纤维的断裂.此外，高温燃气冲击是一个热-力耦合过程，温度升高会对材料的模量、强度、韧性等产生影响，是热冲击另一个维度的影响.图7(d)显示了燃气冲击时湍流的分布情况，湍流强度从冲击中心向外逐渐降低.湍流是自由射流受到干扰后的表现，湍流强度高证明射流受干扰强烈，这恰好证明了冲击中心射流的反溅.

2.3 传热部分

提取上述获得的压强和温度分布情况，加载到CFRP板上，进行热-力计算.平纹CFRP瞬态传热结果如图8所示.冲击面上最高温度为791 K，根据流体分析结果，采用区域温度加载.在0.3 s内，温度基本上完全传递到了CFRP板背面，且分布情况与面板相似，如图8(a)所示.但由于碳纤维束是编织方式，纤维横向和纵向的热传导系数不同，其交叉处会对温度传递造成影响，如图8(b)所示.燃气射流打到CFRP板上，立即发生热传导，温度从CFRP表面的环氧树脂开始传递，经过第一层碳纤维束传递到环氧树脂，继而传递到第二层碳纤维束.两层碳纤维束互相垂直.纤维方向的热传导系数大于纤维法向，因此第一层传递到第二层时形成一个椭圆分布.同理，第二层的温度传递到背面也会形成一个椭圆.两个椭圆相互垂直，从而出现图8(a)的分布现象.环氧树脂的玻璃态转化温度在500 K左右.因此，冲击中心的环氧树脂会发生软化并被燃气流剥落，从而出现凹坑，导致表面粗糙度增大，则横向的剪切应力也会随之增大.

然而，燃气射流实际的作用时间非常短，且温度和压强是瞬变的，故此处将热力作用时间设为0.2 s.仿真中约束条件为，背面完全固定约束.施加稳定的压强和温度后，CFRP的热力分析结果如图9所示.从图9(a)所示可知，0.2 s热传导结果与0.3 s相似，但范围较小.同样，在区域分布的压强和温度作用下，CFRP前面的等效弹性应变分布也呈环状，但背面的分布不明显，参见图9(b)和(c).相邻纤维束之间的缝隙会造成大的变形，形成十字架分布的情况，参见图9(d).从侧面看，由于环氧树脂的模量较低，变形主要由它贡献，从而形成波浪分布特征，参见图9(e).然而，在实际情况中，很少出现CFRP板背部全约束的工况，大多是薄壁管/筒.因此，势必会造成更大的变形，甚至有可能发生破坏.

3 结论

随着战争形态的变化，武器与军事工业的发展也加快了步伐，轻量化装备的需求日益凸显.碳纤维复合材料(CFRP)以其优异的热力学性能被考虑采用.对于火箭武器，其喷管喷出的燃气流是发射装备最直接的威胁.为探究CFRP在燃气射流冲击下的热力学行为，本文通过冲击实验和数值模拟开展了相关研究，结论如下：

(1)燃气射流冲击是一个瞬态过程，冲击过程中CFRP平面有可见的火红色冲蚀区.冲击区域由三个圆环分开，形成高温烧蚀区、高温过渡区、低温冲蚀区、低温冲刷区.由于冲蚀产物不同.高温烧蚀区环氧树脂发生软化，脱落成坑.其他区域残留大量的推进剂污染，并在后期发生氧化还原反应，形成霜花状产物.CFRP板的残余热变形为沿对角线的翘曲.

(2)流场数值模拟结果与实验结果具有一致性.冲击面上的温度分布与实验的分区相同.CFRP细观传热分析显示，由于纤维三个方向的热传导系数不同，传热分布经过纤维时会形成椭圆特征.热力分析结果表明，碳纤维承受主要的载荷，变形由环氧树脂产生，且在相邻纤维间的缝隙处变形最大，这与微观形貌得到的树脂剥落成坑现象相吻合.

燃气射流冲蚀后，CFRP会发生残余热变形，也会存在残余热应力，且壁面的粗糙度会大幅增加.这对二次发射是非常不利的，因为表面粗糙度会增大横向剪切力，从而破坏CFRP结构.或许采用隔热涂料或其他热防护层能有效地解决热烧蚀问题，但冲击力的影响仍然需要考虑.