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炭纤维增强树脂基隔热复合材料
发布时间: 2022/5/9
            炭纤维增强树脂基隔热复合材料
  耐烧蚀隔热复合材料结构的烧蚀可以分为表面烧蚀和体积烧蚀。表面烧蚀又称为线烧蚀,是指发生在结构表面的烧蚀,主要包括表面材料与环境气流的热化学反应、材料的熔化、蒸发、升华、高速粒子冲刷以及机械剥蚀引起的质量损失。体积烧蚀是指结构内部材料在较低温度(相对于表面烧蚀而言)下因热解反应或热氧化反应导致的质量损失。
  树脂基隔热复合材料主要是利用高相变热、低热导率的有机和无机组分,在吸收气动加入的大量热流后发生相变,并随着相变物质的质量流失把热量带走,从而起到保护内部结构的作用。
  树脂基复合材料的烧蚀隔热过程是一个物理与化学交互作用的复杂过程,要清楚地描述这一过程是很困难的,这里仅做简单介绍。当材料暴露在烧蚀环境时,首先是起散热体的作用。随着热势加剧,树脂基体外层变为黏性体,而后开始降解,产生泡沫状炭物质,最终形成多孔焦炭。焦炭是一种结构相对较脆的材料,在高速气流的冲刷作用下一部分焦炭被吹走,从而带走大量热量。同时,其余焦炭能与增强纤维形成整体而不分离,使材料在烧蚀条件下不致完全破坏。焦炭本身是一种绝热体,而且从内部的树脂基体分解产生的挥发物可渗透到焦炭中,能使其进一步冷却。这是由于挥发物被加热到极高温度进而分解出更低分子量的裂解物,这种裂解物的耗散可带走大量的热能,从而阻碍了热量向材料内部的传入。
  烧蚀过程中表现出来的各种物理和化学现象,决定于材料本身的特性以及外界的气动热环境。在稳定的条件下,烧蚀过程也相应地确定,这便是通常所说的稳态烧蚀。稳态烧蚀是指相对不变的热环境中材料的烧蚀出现一个动态平衡的现象,使空间上各点的物性、热力学参数不随时间而改变,进入材料的气动加热热流值稳定,因而液态层、炭化层和热分解层厚度一定。其厚度值决定于复合材料中树脂的热分解温度、炭化温度及纤维的熔融温度,同时各个界面层也以同样速度向深处推进,形成稳定的烧蚀率。而在烧蚀开始阶段则有一个短暂的非稳态过程,以炭纤维/酚醛树脂复合材料为例,烧蚀过程大致可描述如下。
  ①复合材料本身的热容吸收。气动加热初期(表面未达到烧蚀之前),防热材料依靠自身的热容吸收热能而升温。由于炭纤维不熔化,可升到较高的温度。炭纤维/酚醛树脂复合材料的热导率较大,因而向内传递的热能较多,这就导致烧蚀过程中炭化层加厚。但是玻璃(高硅氧)纤维/酚醛树脂复合材料与之不同,其热导率低,只有少部分热流向内传递,会使表面温度迅速升高。
  ②树脂基体的热分解吸热。当材料的温度上升到树脂基体的分解温度时,树脂开始分解并吸收大量热能(约为360kJ/m01);同时热解产生大量气体向外逸出并带走热量,热解气体的主要成分是氢气和苯酚,以及甲酚、一氧化碳、甲烷和水等。随着温度进一步升高,热解过程基本完成,热解层变成多孔的焦炭炭化屡。炭纤维/酴罄树脂复合材料在高温下可生成较厚的坚硬炭化层,炭化层总质量可达原防热层材料质量的85%。由于表面温度高,炭化层具有石墨化的倾向,这就使炭纤维/酚醛树脂复合材料在一定程度上兼有石墨或c/c复合材料的烧蚀性能。此时,从防热树料的厚度方向来看,由表向里可分为四层:
  a.最外层,直接承受气动热,温度为1600~2500℃,生成稳定的炭化层,具有石墨化倾向,气孔率高;
  b.次外层,也为稳定的炭化层,温度为1000~1600℃,完全热解炭化但不出现石墨化倾向;
  c.热解层,包括部分不稳定炭化层,温度为650~1000℃;
  d.材料本体层,基本来发生化学变化。
  ③炭化层表面的化学反应、升华和热辐射。表面层在附面层中氧的作用下发生化学反应并放出热量(与C/C复合材料近似)。由于表面温度很高,大量热量以热辐射的形式放出,同时部分碳分子发生升华吸热。
  ④“热阻”效应和剥蚀现象。随着烧蚀过程的进行,炭化层、热解层和热影响层的层阌界面逐渐向材料深部推进,界面处不断产生的热解气体产物穿过炭化层把大量的热量带入附面层,同时阻止附面层的热量向内传递,还能阻止附面层中的氧气与炭化层接触而发生燃烧反应,即所谓“热阻"效应。但这种热解气体也会导致炭化层破碎而随气流流失,即“机械剥蚀”。所以热解气体在防热中具有双重性,过多的气体产物会导致严重的机械剥蚀。对于弹头锥面的防热层材料还须注意炭布层取向与气流的关系,当布层与气流成90度时易发生机械剥蚀,而在30度时则不易发生。此外炭纤维的耐氧化性能、树脂的热解产物及成炭性能,都会影响到剥蚀现象。所以,如何选择原材料和工艺,对防止或减轻机械象8蚀,保持防热层的结构完整性,提高耐烧蚀性能是非常重要的。
 
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