本發(fā)明涉及熱防護材料性能評價，具體涉及一種納-微-宏觀孔隙結(jié)構(gòu)建模及熱解氣體質(zhì)量流率計算方法。

背景技術(shù)：

1、樹脂基防熱材料內(nèi)部的樹脂基體在高溫環(huán)境下會發(fā)生熱分解反應(yīng)，通過自身的熱解來吸收大量的熱量，其熱解過程的物理化學(xué)變化包括：有機硅樹脂的熔融氣化、升華、熱解、氧化；有機物的裂解；無機物的分解及其與產(chǎn)物之間反應(yīng)；有機硅熱解產(chǎn)物炭的燃燒等。在極端環(huán)境下，防熱材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)會隨著溫度、壓力、時間等因素的變化而發(fā)生演變。根據(jù)樹脂的熱解反應(yīng)程度，可以將材料沿厚度方向分為三個區(qū)域，即碳化區(qū)、熱解區(qū)和原始材料區(qū)。熱解程度的不同使的各區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)具有較大差異，在熱解反應(yīng)基本完成的碳化區(qū)結(jié)構(gòu)疏松，會出現(xiàn)裂紋孔隙等缺陷；熱解區(qū)域內(nèi)未分解的酚醛樹脂基體上出現(xiàn)不同大小的孔；原始材料區(qū)保持復(fù)合材料原本的結(jié)構(gòu)形式，材料內(nèi)部也存在著不同尺度的微納米孔隙。而防熱材料的性能與其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，孔隙結(jié)構(gòu)在納米、微米和宏觀尺度上的分布和演變直接影響材料的導(dǎo)熱性、機械強度、熱膨脹系數(shù)等關(guān)鍵性能。材料熱解會產(chǎn)生大量的熱解氣體，這些氣體在孔隙內(nèi)流動，隨著熱解氣體的聚集，材料內(nèi)部的氣體壓強隨之上升，當內(nèi)部壓強大于外部環(huán)境壓強時，熱解氣體將會沿著材料內(nèi)部復(fù)雜的孔道結(jié)構(gòu)溢出表面。在這個過程中，不同尺度的孔隙結(jié)構(gòu)會對熱解氣體的產(chǎn)生和流動規(guī)律產(chǎn)生一定影響，而熱解氣體在防熱材料內(nèi)部流動過程中與內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)壁面之間會發(fā)生對流換熱和擴散換熱。因此，準確地建立樹脂基防熱材料在極端環(huán)境下內(nèi)部多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的模型，并計算孔隙結(jié)構(gòu)模型中熱解氣體的生成量，可以為多尺度孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱解氣體流動規(guī)律的分析提供基礎(chǔ)，是評價樹脂基防熱材料燒蝕/熱響應(yīng)特性的基礎(chǔ)與前提。

2、現(xiàn)有的樹脂基防熱材料的研究主要集中在熱穩(wěn)定性和機械性能，對其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境下的演變機制研究不夠深入，而且孔隙結(jié)構(gòu)分析方法大多局限于單一尺度，難以全面反映材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和動態(tài)演變規(guī)律。此外，當前熱解氣體質(zhì)量流率的計算大部分基于等效孔隙率，并未建立真實的孔隙結(jié)構(gòu)幾何模型，從而使得氣體質(zhì)量流量的計算不夠準確，不利于后續(xù)熱解氣體流動規(guī)律的分析以及樹脂基防熱材料微細觀燒蝕/熱響應(yīng)特性的分析。

3、綜上所述，目前尚缺乏一種能夠有效耦合納米、微米和宏觀尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型的建立以及內(nèi)部熱解氣體質(zhì)量流率的計算方法，以全面揭示防熱材料在極端環(huán)境下內(nèi)部納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的形成以及熱解氣體的產(chǎn)生規(guī)律。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明主要解決現(xiàn)有的孔隙結(jié)構(gòu)分析方法不能同時耦合納米、微米和宏觀尺度以及熱解氣體質(zhì)量流率計算基于等效孔隙率的問題。

2、本發(fā)明提供一種納-微-宏觀孔隙結(jié)構(gòu)建模及熱解氣體質(zhì)量流率計算方法。該方法能夠有效揭示防熱材料在極端環(huán)境下內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的形成與演變規(guī)律，確定完全碳化、部分碳化、未碳化防熱材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的差異，厘清防熱材料碳化度與微結(jié)構(gòu)形貌、溫度之間的關(guān)系，建立樹脂基防熱材料含碳化區(qū)、熱解區(qū)和原始材料區(qū)孔隙的納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型，準確計算樹脂基防熱材料熱解過程中氣體的生成量，填補現(xiàn)有技術(shù)的空白，為防熱材料的設(shè)計與優(yōu)化提供新的思路。

3、本發(fā)明目的是提供一種納-微-宏觀孔隙結(jié)構(gòu)建模及熱解氣體質(zhì)量流率計算方法，包括：

4、制備樹脂基防熱材料；

5、對樹脂基防熱材料進行燒蝕試驗，獲取燒蝕后的試件，并將燒蝕后的試件劃分為碳化區(qū)和熱解區(qū)；

6、對燒蝕后的試件，以及未進行燒蝕的試件分別進行壓汞試驗，分別獲取燒蝕后試件和未進行燒蝕試件對應(yīng)的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進汞曲線和孔徑分布曲線；

7、獲取燒蝕后試件碳化區(qū)內(nèi)部毫米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，和熱解區(qū)內(nèi)部微米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，以及未進行燒蝕試件內(nèi)部納米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌；

8、根據(jù)燒蝕后的試件和未進行燒蝕的試件分別對應(yīng)的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進汞曲線和孔徑分布曲線，以及燒蝕后試件碳化區(qū)內(nèi)部毫米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌、熱解區(qū)內(nèi)部微米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，和未進行燒蝕試件內(nèi)部納米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，建立樹脂基防熱材料含碳化區(qū)、熱解區(qū)和原始材料區(qū)孔隙的納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型；

9、對納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型施加熱載荷邊界，基于樹脂基防熱材料內(nèi)部質(zhì)量守恒、能量守恒以及熱解氣體生成和擴散規(guī)律，計算納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型熱解氣體的質(zhì)量流率。

10、優(yōu)選地，所述燒蝕試驗為氧乙炔焰燒蝕試驗，熱環(huán)境工況為1.0~2.0mw/m2熱流條件下燒蝕100~300s。

11、優(yōu)選地，所述碳化區(qū)和熱解區(qū)是根據(jù)燒蝕結(jié)束后試件厚度方向的宏觀形貌以及不同位置處的溫度進行劃分得到的。

12、優(yōu)選地，所述燒蝕后試件碳化區(qū)內(nèi)部毫米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，和熱解區(qū)內(nèi)部微米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，以及未進行燒蝕試件內(nèi)部納米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，是按照以下步驟獲取：

13、分別對燒蝕后試件和未進行燒蝕試件進行噴金處理；

14、對噴金處理后的燒蝕后試件和未進行燒蝕試件分別進行sem成像試驗，先觀測材料整體纖維排布方式，再逐漸對防熱材料內(nèi)部典型孔隙結(jié)構(gòu)進行放大，得到sem電鏡圖；

15、對sem電鏡圖進行處理分析，得到燒蝕后試件碳化區(qū)內(nèi)部毫米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，和熱解區(qū)內(nèi)部微米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，以及未進行燒蝕試件內(nèi)部納米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌。

16、優(yōu)選地，毫米級、微米級及納米級的孔隙結(jié)構(gòu)形貌均是基于電鏡圖，采用任意多邊形對電鏡圖上的孔隙進行描繪，并根據(jù)電鏡圖給出的標尺對孔隙的長和寬進行測量而得到的；其中，所述sem成像試驗采用場發(fā)射掃描電鏡。

17、優(yōu)選地，所述孔結(jié)構(gòu)參數(shù)包括孔隙率、中間孔徑、平均孔徑。

18、優(yōu)選地，所述壓汞試驗采用壓汞儀進行試驗。

19、優(yōu)選地，所述樹脂基防熱材料是通過在2d編織的纖維骨架中浸漬酚醛樹脂基體得到的，其中，酚醛樹脂基體是通過模壓發(fā)泡工藝制備的，內(nèi)部含有大量的微納米孔隙。

20、優(yōu)選地，所述納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型按照以下步驟獲?。?/p>

21、獲得樹脂基防熱材料內(nèi)部纖維的分布情況以及纖維束的尺寸，建立特定編織方式的纖維組分相；

22、根據(jù)特定編織方式的纖維組分相建立纖維相的補集，即樹脂基防熱材料的基體相，使纖維相包裹在基體相內(nèi)部；

23、根據(jù)燒蝕后的試件和未進行燒蝕的試件分別對應(yīng)的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)以及進汞曲線和孔徑分布曲線，以及根據(jù)燒蝕后試件碳化區(qū)內(nèi)部毫米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌、熱解區(qū)內(nèi)部微米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，和未進行燒蝕試件內(nèi)部納米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，采用隨機函數(shù)的方法，在基體相的不同區(qū)域布置不同大小和不同數(shù)量的孔隙，從而得到樹脂基防熱材料含碳化區(qū)、熱解區(qū)和原始材料區(qū)孔隙的納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型。

24、優(yōu)選地，納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型熱解氣體的質(zhì)量流率通過以下公式計算得到：

25、

26、其中，和分別為任意溫度下材料的密度以及完全碳化后材料的密度， a、 ea和分別為材料的指前因子、活化能和機理函數(shù)， r為理想氣體常數(shù)， t為溫度， s為面積。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

28、本發(fā)明提供的一種納-微-宏觀孔隙結(jié)構(gòu)建模及熱解氣體質(zhì)量流率計算方法。本發(fā)明通過開展燒蝕試驗，獲得樹脂基防熱材料熱解程度不同的碳化區(qū)、熱解區(qū)和原始材料區(qū)；通過對燒蝕前后的防熱材料開展壓汞實驗，獲得材料宏觀的孔隙率、孔徑分布等數(shù)據(jù)；通過對碳化區(qū)、熱解區(qū)以及原始材料區(qū)開展sem成像試驗，獲得樹脂基防熱材料碳化區(qū)毫米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，熱解區(qū)微米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌，原始材料區(qū)納米級孔隙結(jié)構(gòu)形貌；基于試驗得到的孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)微觀形貌，建立樹脂基防熱材料含碳化區(qū)、熱解區(qū)和原始材料區(qū)孔隙的納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型；為該模型施加熱載荷邊界，并考慮其內(nèi)部的質(zhì)量守恒、能量守恒以及熱解氣體生成和擴散規(guī)律，計算納-微-宏觀多尺度孔隙結(jié)構(gòu)模型熱解氣體的質(zhì)量流率。該方法能夠有效揭示防熱材料在極端環(huán)境下內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的形成與演變規(guī)律，確定完全碳化、部分碳化、未碳化防熱材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的差異，厘清防熱材料碳化度與微結(jié)構(gòu)形貌、溫度之間的關(guān)系，準確計算防熱材料內(nèi)部熱解氣體的生成量，填補現(xiàn)有技術(shù)的空白，為防熱材料的設(shè)計與優(yōu)化提供新的思路。