Термохимическое разрушение стеклопластиков.

Понятие стеклопластикиохватывает довольно широкий класс композиционных материалов, сосотоящих из различных стеклотканей (волокон) и различных смол. Наиболее теплоэрозионностойкими из них являются стеклопластики на основе кварцевого стекла (SiO₂) и фенолформальдегидных смол. Разрушение такого материала при нагреве в окислительной среде происходит по-разному в зависимости от соотношения углерода и двуокиси кремния, так как эти вещества реагируют между собой. Здесь рассматривается случай, соответствующий избытку двуокиси кремния в такой реакции (рис. 5.12).

Так же как в углепластиках массовую долю связующего вещества (смолы) в стеклопластиках обозначим через , тогда доля двуокиси кремния (стеклоткань, стекловолокно) составит  в предположении, что материал состоит только из связующего и двуокиси кремния.

Деструкция связующего вещества – это первое превращение, происходящее в стеклопластике; заметное разложение происходит уже при 500…600 К, взаимодействие двуокиси кремния с углеродом в этом диапазоне температур еще не появляется. Поэтому процесс термодеструкции связующего описывается независимо и определяется теми же уравнениями, что и для углепластика:

;                                                  

;                                                      (5.22)

.                                                      

Здесь – кинетические константы процесса термодеструкции, G ₁ – расход продуктов дестрекции связующего.

В процессе термодеструкции часть массы связующего c газифицируется. Газообразные продукты деструкции фильтруются сквозь прококсованный слой к поверхности и уходят из материала. Твердый остаток связующего практически полностью состоит из углерода (коксовый остаток). На основании сказанного состав материала за фронтом деструкции до начала взаимодействия углерода с SiO₂ можно описать соотношениями:

 

Рис. 5.12.

 

  – доля массы, которая уходит из материала в процессе термодеструкции (предельная пористость материала в конце процесса термодеструкции), то есть плотность материала станет ;

– массовая доля углерода (кокс) в прококсованном материале (от исходной массы);

– массовая доля SiO₂ (от исходной массы).

При этом составе и температуре ~ 1400… 1500 К в пористом материале начинается взаимодействие углерода с двуокисью кремния. По мнению многих авторов это взаимодействие можно описать реакцией:

C + SiO₂ ® CO + SiO

Продуктами реакции являются газообразные  вещества, они фильтруются к поверхности и уходят из материала. В зоне реагирования двуокись кремния может находиться как в твердом, так и в расплавленном состоянии. В зоне твердого состояния вещества в процессе реагирования образуются новые поры. Реакция может протекать до тех пор, пока не закончится один из реагентов.

В целом процесс взаимодействия углерода с двуокисью кремния также описывается кинетическим уравнением типа закона Аррениуса:

,                                                (5.23)

где ,  – предэкспоненциальный множитель и энергия активации для реакции углерода с двуокисью кремния.

При определенном нагреве двуокись кремния, являясь аморфным веществом, размягчается и становится все менее вязкой и более текучей. Для построения математической модели можно принять, что по достижении температуры плавления SiO₂ переходит в расплав. Фронт плавления движется со скоростью V _пл, определяемой разностью удельных тепловых потоков: , направленного со стороны расплава и , направленного от границы плавления внутрь твердой части материала:

,                                                                  (5.24)

где – плотность (концентрация) двуокиси кремния в твердой фазе;

– тепловой эффект плавления двуокиси кремния;

– толщина материала (в твердой фазе), которая расплавится за время .

 – массовая доля углерода;                (5.25)

 – массовая доля окиси кремния.      (5.26)

В процессе плавления поры в материале исчезают, материал уменьшается в объеме. Изменение толщины жидкой пленки определяется соотношением:

.                                                       (5.27)

За время dt поверхность материала за счет сжатия при плавлении переместится на величину . Следовательно, скорость движения внешней поверхности пленки (по нормали к поверхности за счет плавления и ликвидации пор) можно определить как:

.                                             (5.28)

Здесь  следует понимать как долю прореагировавшего вещества, уносимую из жидкой пленки в виде газа;  – плотность твердых частиц углерода коксового остатка в пленке расплава;  – плотность жидкой двуокиси кремния.

Кинетическое уравнение взаимодействия двуокиси кремния с углеродом в жидкой пленке при уменьшении объема из-за плавления записывается в виде:

;                                                        (5.29)

.                                                 (5.30)

Расход газообразных продуктов через жидкую пленку теперь складывается из продуктов деструкции, продуктов реакции SiO₂+C в жидкой и твердой фазе. Здесь m – масса прореагировавшего вещества в единице объема пленки. Из-за ухода массы из объема пленки ее поверхность будет дополнительно перемещаться.

Углерод, вышедший на поверхность материала, может реагировать с окисляющими компонентами газового потока. Это взаимодействие можно описать аналогично углепластикам, но с учетом доли поверхности, занятой углеродом: .

. (5.31)

Однако такая скорость уноса может быть реализована, только если частицы углерода успевают обнажаться в процессе испарения двуокиси кремния: . В противном случае скорость уноса поверхности материала из-за окисления углерода будет лимитирована скоростью испарения:

.

Течение и испарение пленки SiO₂ обычно невелики и могут быть учтены, используя подходы, изложенные в монографии [5.16].