EPDM絕熱材料炭化層的三維孔隙結(jié)構(gòu)特征①

孫翔宇，張 煒，楊宏林，陳 思，王 德，高金鳳

(1.國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院，長沙 410073;2.中國航天科工集團(tuán)六院，呼和浩特 010010)

0 引言

EPDM絕熱材料是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室常用的一類炭化燒蝕型熱防護(hù)材料，在燃燒室高溫?zé)g環(huán)境下形成炭化層、熱解層和基體層3層結(jié)構(gòu)［1］。炭化層直接承受高溫、高速氣流的燒蝕和沖刷作用，對保證絕熱材料耐燒蝕性能和保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體起關(guān)鍵作用。顯然，炭化層的組成、微觀結(jié)構(gòu)和性能決定了絕熱材料的耐燒蝕性能，炭化層的微觀結(jié)構(gòu)也是絕熱材料燒蝕機(jī)理研究的重點(diǎn)，是絕熱材料耐燒蝕性能數(shù)值計(jì)算模型的重要依據(jù)。國內(nèi)外研究者已證實(shí)炭化層是一種多孔材料［2－4］，這種多孔結(jié)構(gòu)在保持一定強(qiáng)度的同時(shí)大幅降低了熱導(dǎo)率，是影響絕熱材料耐燒蝕性能的重要影響因素之一。但目前對炭化層孔隙結(jié)構(gòu)、尤其是沿?zé)g方向上炭化層的孔隙分布規(guī)律少有文獻(xiàn)報(bào)道。在前期研究中發(fā)現(xiàn)，沿?zé)g方向上絕熱材料炭化層并不是均勻的，而是一種梯度變化的孔隙結(jié)構(gòu)［5］。因此，建立三維孔隙分析方法，全面了解炭化層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，獲得其燒蝕方向上的孔隙分布數(shù)據(jù)，不僅為炭化層微觀結(jié)構(gòu)研究提供了定量測試方法，而且對絕熱材料燒蝕機(jī)理和燒蝕模型的建立提供了有力支撐。

目前，常用的顯微鏡或掃描電鏡方法僅能得到炭化層表面或剖面的二維圖片，獲得的信息只能反映炭化層表面或剖面的局部孔隙結(jié)構(gòu)。絕熱材料炭化層的疏松結(jié)構(gòu)，在制備樣品時(shí)，容易發(fā)生炭化層坍塌現(xiàn)象，導(dǎo)致炭化層微觀結(jié)構(gòu)的破壞，因此最好的炭化層微觀結(jié)果測試方法顯然是無損檢測法。直接重建三維結(jié)構(gòu)模型的方法主要有連續(xù)切面法、激光掃描共焦顯微成像等。這些技術(shù)的共同點(diǎn)是用物理的方法或光學(xué)的方法，將樣品切成序列二維切片，再由這些二維切片自上而下地依次結(jié)合起來，構(gòu)成三維模型。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能真實(shí)地重建樣本在三維空間的結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是用物理方法制作序列切片非常費(fèi)時(shí)，且易對樣本造成破壞，且多層(局部)拍照時(shí)往往存在定位不準(zhǔn)的問題，且光學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析只適用于透光的物質(zhì)，對不透光的物質(zhì)卻無能為力。近年來，X射線層析攝像技術(shù)憑借其可很好地表征多孔體顯微構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)，已成為無損獲取多孔材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的有力工具，并被成功用于一些多孔結(jié)構(gòu)的研究［6－11］。但X射線層析攝像技術(shù)在表征炭化層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用卻未見報(bào)道。

本文采用分辨率可達(dá)到1 μm的微米CT，按照X射線成像原理對炭化層進(jìn)行無損掃描。利用相關(guān)軟件對獲得的數(shù)百張圖片進(jìn)行三維重建，并結(jié)合孔隙率分析軟件，得到了燒蝕方向上炭化層的孔隙變化規(guī)律。

1 炭化層三維孔隙結(jié)構(gòu)的微米CT測試方法及三維重構(gòu)方法

1.1 EPDM絕熱材料炭化層試樣

用于絕熱材料炭化層微觀結(jié)構(gòu)分析的試樣取自橫向過載35 gn、軸向0過載的燒蝕試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試車后前封頭產(chǎn)生的EPDM炭化層。

取一小塊在過載燒蝕試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試車后結(jié)構(gòu)較為完整的絕熱材料炭化層，吹去浮沫后備用。

1.2 微米CT的基本工作原理

微米CT成像原理圖如圖1所示。

圖1 微米CT成像原理圖Fig.1 Schematic diagram of micro-CT

微米CT技術(shù)是以微焦點(diǎn)X射線對內(nèi)部不均勻的樣品進(jìn)行掃描。由于X射線在不同物質(zhì)中的穿透能力不同，通過接受器測定透過某一層面的X射線量，可得到相應(yīng)的X射線線性衰減系數(shù)值，并重建成立方陣列，最終在顯示器上顯示出該層面灰度圖像。

本研究采用MicroXCT，分辨率1 μm。

1.3 微米CT法獲得炭化層三維圖像的基本步驟

EPDM絕熱材料炭化層的結(jié)構(gòu)疏松、脆性較大，很難制得規(guī)整樣品，更無法用切片法制備結(jié)構(gòu)完整的用于光學(xué)觀察和測量的薄試樣。采用微米CT的無損掃描，可在不破壞炭化層整體結(jié)構(gòu)的前提下獲得其內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

首先，用微米CT在燒蝕方向上等間距拍攝炭化層試樣的X光圖像;然后，拍攝炭化層試樣不同角度的X光投影圖像。

采用三維圖像處理軟件對掃描的圖片進(jìn)行三維重建，即通過配置的計(jì)算機(jī)算法程序?qū)ξ矬w不同角度的X光投影信息進(jìn)行重構(gòu)，解決普通二維X光投影的信息重疊問題，形成三維立體圖像。所形成的三維立體圖像可任意旋轉(zhuǎn)觀察，并可做任意位置和任意方向的虛擬斷層展示。

圖2是過載燒蝕試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)試車后的EPDM絕熱材料炭化層試樣，經(jīng)過微米CT無損掃描后進(jìn)行三維重建的圖片，箭頭方向?yàn)闊g方向。從圖2可看出炭化層內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。三維重建的圖片利用軟件進(jìn)行任意方向剪裁，可獲得某一方向上剪裁的平面圖片，如圖3所示。三維重建的圖片利用軟件進(jìn)行任意方向剪裁，可獲得某一方向上剪裁的平面圖片(圖3)。

圖2 三維重建的炭化層微米CT圖片F(xiàn)ig.2 Three-dimensional reconstructed micro-CT photograph of charring layer

圖3 任意方向剪裁的圖片F(xiàn)ig.3 Photograph cutted in random direction

2 EPDM絕熱材料炭化層的孔隙結(jié)構(gòu)特征

通過二維圖像分析軟件，可得到炭化層內(nèi)部某一個(gè)剖面孔隙的走向、孔隙尺寸分布、致密層和疏松層的分布狀態(tài)等相關(guān)信息。分析結(jié)果見表1。

表1 炭化層燒蝕方向上截取的分層圖像統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)Table 1 Statistical analysis data of layered images cutted in ablation direction of charring layer

運(yùn)用二維圖像分析軟件，對燒蝕方向上EPDM絕熱材料炭化層的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。表1是對燒蝕方向上依次截取的圖片進(jìn)行二維孔隙統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果，從表層向下均勻分為12層(包括上下表面)，層間距約 0.15 mm。

圖4是各層平均孔徑和孔隙率的變化曲線。從這些圖像和曲線可看出，沿?zé)g方向上炭化層的平均孔徑和孔隙率逐漸增大。其中，A1～A5層的孔隙率相對較小，可歸為致密層;A6～A12層孔隙率較大，可歸為疏松層。

運(yùn)用二維圖像分析軟件，利用微米CT三維重建的炭化層微觀結(jié)構(gòu)，也可簡單獲得炭化層試樣的縱向剖面，如圖5所示。從圖5可見，炭化層明顯分為致密、疏松2層結(jié)構(gòu)，這與橫向分層圖片和表1的結(jié)果相吻合。利用二維圖像分析軟件對各層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到致密層平均孔徑為2.08 μm，孔隙率為59.6%;疏松層平均孔徑為4.58μm，孔隙率為83.2%。

圖4 三維重建炭化層的各層統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與分層序號關(guān)系Fig.4 Statistical analysis data of charring layers vs serial numbers of layers

圖5 炭化層剖面的微米CT掃描圖片F(xiàn)ig.5 Section view of charring layer scanned by micro-CT

炭化層致密-疏松結(jié)構(gòu)形成可能存在原因:

(1)疏松層:EPDM絕熱材料的主要成分是EPDM橡膠基體，該橡膠的熱解殘余率接近0%，即完全分解，并產(chǎn)生大量小分子氣體。一方面，絕熱材料配方特點(diǎn)決定了絕熱材料熱解殘余物所占體積分?jǐn)?shù)較小;另一方面，熱解小分子氣體的產(chǎn)生使絕熱材料內(nèi)部壓力增大，發(fā)生體積膨脹。在這兩方面因素作用下，靠近基體的炭化層呈現(xiàn)疏松多孔的結(jié)構(gòu)，孔隙率大于80%。

(2)致密層:發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈮簭?qiáng)可達(dá)5～6 MPa、溫度高于3 000 K。一方面，接近燃?xì)獾奶炕瘜映惺芨邏喝細(xì)獾膲毫?，?dǎo)致體積壓縮;另一方面，熱力計(jì)算表明，在炭化層內(nèi)流動(dòng)的熱解氣體高溫下會(huì)發(fā)生二次裂解，傾向于生成高溫下更加穩(wěn)定的碳元素，并沉積下來，使炭化層的致密程度進(jìn)一步增大。

3 結(jié)論

(1)利用微米CT及其相關(guān)軟件，建立了炭化層三維孔隙結(jié)構(gòu)的表征及分析方法，首次獲得了EPDM絕熱材料炭化層沿?zé)g方向上呈梯度變化的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，獲得了燒蝕方向上任意截面的孔隙數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律，為絕熱材料燒蝕機(jī)理研究和燒蝕模型的建立提供了重要依據(jù)。

(2)過載燒蝕試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕的EPDM絕熱材料炭化層，從表層向下呈現(xiàn)致密-疏松結(jié)構(gòu)，EPDM絕熱材料炭化層的平均孔徑和孔隙率都逐步增大?；谖⒚證T的多孔材料三維孔隙分析方法具有很好的通用性，可在其它多孔材料研究中推廣應(yīng)用。

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