基于硅橡胶的柔性热防护系统中烧蚀性能的多物理场耦合数值模拟与实验验证

《Surfaces and Interfaces》：Multi-physics-Coupled Numerical Simulation and Experimental Validation of Ablation Performance in Silicone-Rubber-Based Flexible Thermal Protection Systems

硅橡胶复合材料的热保护机理及多物理场耦合模型研究，通过实验和数值模拟揭示了材料在高温下的热化学转化过程和烧蚀行为，建立了包含热传导、表面氧化、气流动态和热力耦合效应的综合模型，验证了模型预测精度，为航天热防护材料设计提供理论支持。

　　

卢龙|陈文星|周楚翔|田月|衡正光|周胜泰|史友安|陈阳|梁梅|邹华为|刘晓|严立伟

四川大学先进高分子材料国家重点实验室，四川大学聚合物研究所，中国成都610065

摘要

全面了解硅橡胶基防火复合材料（SRFCs）的热防护机制对于提升其在航空航天和防火领域的热防护性能至关重要。本文开发了一个多物理场耦合的数值模型，用于模拟硅橡胶复合材料在典型热环境下的热响应。实验分析表明，随着温度的升高，SRFCs会经历一系列热化学变化，包括热解、陶瓷化和表面氧化反应。基于这些发现，建立了一个综合烧蚀模型，该模型考虑了内部热传导、C/SiC表面反应、表面辐射、热解气体在炭层中的流动以及热阻效应等多种机制。此外，引入了热机械耦合方法来准确描述复合材料在烧蚀过程中的变形行为。数值结果表明，关键烧蚀参数（如表面温度、平均烧蚀速率MAR和局部烧蚀速率LAR）与实验数据的偏差小于10%，验证了所提模型的准确性和可靠性。这项工作为极端烧蚀环境中柔性热防护复合材料的设计优化和性能预测提供了理论指导和技术支持。

引言

随着航空航天技术的快速发展，高速飞行器会受到严重的空气动力加热，并面临极端的热烧蚀条件[1]。因此，先进的热防护材料（TPMs）的开发已成为许多国家的研究重点[2]。具有优异烧蚀性能和低密度的烧蚀TPMs能够在实现轻量化设计的同时确保飞行器安全[3][4][5]。在这些材料中，硅橡胶复合材料因其低热导率和高柔韧性而备受关注[6]。

当暴露在外部热环境中时，SRFCs会经历不可逆的烧蚀过程，并伴随表面凹陷[7,8]。热量传递到内部，引发热解反应，热解气体向表面逸出，导致热阻效应，这就是体积烧蚀过程[9,10]。表面烧蚀会改变部件尺寸，而体积烧蚀则会影响材料的密度、热导率以及炭基体界面的强度[11]等。近年来，大量的实验和数值分析研究了C/C复合材料等刚性材料的烧蚀过程[12,13]。然而，关于柔性硅橡胶的烧蚀机制和耦合过程的研究仍然有限[14]。准确分析辐射传热效应、内部热响应、表面氧化烧蚀和外部流场对于评估硅橡胶复合材料的热防护性能至关重要[15][16][17]。

数值分析有助于理解外部流动、表面烧蚀和内部热传导之间的耦合相互作用，从而揭示基于硅橡胶的绝缘材料的烧蚀行为[18]。在宏观尺度上，内部热响应可以通过分层模型或连续介质模型来模拟。分层模型将热解区域简化为单一表面，并将所有热解过程归因于该表面[19]。然而，对于像硅橡胶这样具有相对较厚热解层的材料，这种简化可能导致较大的计算误差。相反，连续介质模型将材料视为整体，其密度变化由热解动力学控制[20]，更好地反映了物理行为并提高了计算效率。关于表面氧化烧蚀模型，现有研究表明C/SiC材料在烧蚀过程中会发生惰性氧化，在表面形成液态SiO₂膜[21,22]。此外，在低压和高温条件下，活性氧化是导致硅橡胶复合材料表面凹陷的关键因素[23]。通过求解热化学平衡方程或非平衡动力学方程，并结合质量守恒和边界层扩散，可以将烧蚀质量流量与表面温度、压力和氧浓度联系起来[24][25][26]，从而全面描述烧蚀特性。

图1

在以往研究的基础上，通过实验方法制备了两种类型的硅橡胶复合材料PVMQ/CF/SiO₂和VMQ/CF/SiO₂。通过对SRFC的热分解、陶瓷化和热氧化过程中的特征反应进行深入分析，揭示了硅橡胶的关键热解机制，并明确了烧蚀结构的分层演变过程。在此基础上，建立了一个全温度范围内的连续烧蚀数值模型，以定量描述柔性热防护材料的表面烧蚀和内部热响应。此外，引入了热机械耦合数值模型来研究材料在烧蚀过程中的热应变行为。最后，通过实验结果验证了所提模型的准确性，证明了其良好的预测能力。本研究为高性能柔性复合材料在航空航天应用中的配方设计和结构设计提供了坚实的科学基础和技术支持。

章节片段

化学物质与材料

所使用的化学物质均为市售产品，无需进一步纯化：气相二氧化硅（SiO₂，Degussa，德国）、过氧化二癸基（DCP，Aladdin）、甲基固体硅橡胶（VMQ）和苯基固体硅橡胶（PVMQ）购自中国蓝星成瑞德有限公司；3毫米短碳纤维（CF）来自上海立硕科技有限公司（中国）。所有试剂均为分析级。

样品制备

在复合材料制备过程中，使用了15份CF和30份SiO₂

硅橡胶复合材料的内部温度预测模型

由于材料的温度分布对其热解、碳化和表面烧蚀反应至关重要，因此需要建立一个预测温度模型来描述复合材料的内部分热行为。从宏观角度来看，当柔性材料基体受到外部加热时，硅橡胶复合材料会经历复杂的热解过程，产生热解气体。

结果与讨论

本文分析了两种硅橡胶复合材料的完整烧蚀产物，为柔性TPMs的数值建模建立了理论基础，并在此基础上验证了烧蚀模型的有效性。

结论

本研究重点关注了SRFC在高温环境下的典型热响应行为。围绕热分解、陶瓷化和烧蚀过程中的表面氧化等关键过程，深入分析了两种代表性硅橡胶在恶劣高温条件下的反应机制。开发了一个耦合的热机械数值模型，以准确再现材料在烧蚀过程中的变形行为。

CRediT作者贡献声明

卢龙：撰写 – 原稿撰写、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。陈文星：方法论设计、实验研究。周楚翔：方法论设计、实验研究。田月：方法论设计、实验研究。衡正光：方法论设计、实验研究。周胜泰：方法论设计、实验研究。史友安：指导、软件开发。陈阳：指导、方法论设计。梁梅：指导、方法论设计。邹华为：指导、实验研究。刘晓：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了四川大学先进高分子材料国家重点实验室和国家自然科学基金（项目编号52303099）的财政支持。感谢四川大学分析测试中心的王辉在SEM/EDS表征方面的帮助，以及Shuguang Yan在XPS分析方面的协助。