Тепловая защита Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. (1013698), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Зависимость параметров разрушения термопластов от условий во внешнем потоке Из термопластичных материалов наиболее изученным в теоретическом и экспериментальном отношениях является политетрафторэтилен 1ПТФЭ). Благодаря стабильности характеристик этого материала и отсутствию механического уноса массы при его разрушении появилась возможность рассчитать параметры разрушения и сравнить результаты с экспериментальными данными. Ряд исследователей использовали ПТФЭ в качестве эталона при сравнительных испытаниях. Теплофизические свойства, а также кинетические константы термопластичных материалов изучены довольно полно в широком диапазоне температур, они приведены в табл.
6-3 и П-П1-2. Кроме политетрафторэтилена, рассмотрим также полиметилметакрилат. Хотя оба эти материала не нашли широкого практического применения в качестве теплозащитных покрытий, их изучение представляет большой интерес, так как на их примере удобно рассмотреть элементарные процессы переноса тепла н массы в прогретой зоне и в пограничном слое. Для них характерны низкие значения коэффициентов теплопроводности н излучательной способности разрушающейся поверхности, повышенная теплоемкость и низкая температура начала деполимеризации. Разрушение этих материалов сопровождается интенсивным образованием газообразных продуктов, молекулярная масса которых зависит от давления и состава окружающей среды.
Вследствие относительно низкой температуры разрушающейся поверхности и малой теплопроводности они аккумулируют незначительное количество тепла в поверхностном слое, что приводит практически к отсутствию прогретой зоны. Как уже отмечалось, термопласты представляют собой полимеры линейного строения со степенью полимеризации до 104, обладаюшие большой энергией связи полимерной цепи. Например, ПТФЭ, являющийся продуктом полимеризации тетрафторэтилена, при нормальных условиях представляет собой монолитный материал с цепью строения (Стге) е и с высокой степенью симметрии.
Средняя молекулярная масса полимера колеблется в пределах 400000 — 900000. Полимер представляет собой плотное вещество белого цвета, состоящее из совокупности твердых кристаллитов с аморфными разветвленными участками, находящимися в высокоэластичном состоянии. Кристаллиты — это участки из ориентированных, плотно сжатых между собой волокон (макромоле- 144 кул), аморфные участки — произвольно ориентированные переплетения Параметры разрушення термопааееов в макромолекул. Кристаллитные участки имеют плотность ра=2,35 г/сма аморфные р, =2,00 г/сма. Прн Т =750 —:1000 К ПТФЭ начинает разлагаться, поглощая боль шое количество тепла, тепловой эффект термического разложения ил1 деструкции при нормальном давлении УР =2200 кДж/кг.
ПТФЭ существует в двух модификациях: монолитной и пористой Пористый ПТФЭ состоит из шариков, соединение которых обеспечивает ся механическими силами сцепления перепутавшихся волокон (макро молекул). Степень кристалличности шарика довольно низкая. Хотя большинство исследователей считало, что жидкая фаза у ПТФе отсутствует и при разложении твердое вещество переходит непосредст венно в газ, при его нагреве выше 730 К на поверхности появляетс.
жидкая фаза. Представляется, что эта жидкая пленка очень тонка и, по видимому, состоит из продуктов разложения ПТФЭ в виде длинны: осколков цепи. При остывании продукты расплава затвердевают, но н возвращаются в исходное состояние, а образуют парафинообразно хрупкое вещество. Рассмотрим вкратце свойства полиметилметакрилата. Его химиче ский состав выражается формулой (СаНеОе) . Это легкий аморфный ма териал (р=1200 кг/м') с температурой размягчения, равной примерн 370 К. Исследован ПММ хуже, чем ПТФЭ. Разрушение ПММ, вызывае мое интенсивным нагревом поверхности высокотемпературным потоко газа, представляет собой сложный процесс, включающий в себя разли* ные фазовые и физико-химические явления как в твердом материал< так и в пограничном слое. О механизме разрушения ПММ до сих пор ие единой точки зрения.
На первых порах изучения разрушения ПМ) предполагалось, что при температуре поверхности 500 — 550 К происк< дит реакция деполимеризации с образованием в газовой фазе мономег С,НеОз с молекулярной массой ! 00 г1моль при любом значении давлени окружающей среды. Выпадение на поверхности углерода указывает н то, что при более высоких температурах в пограничном слое мономе СеНеОе претерпевает дальнейшие изменения.
В результате его разлож~ ния, по-видимому, образуются такие продукты, как СО,НеО, Нь и угл~ род в твердой фазе. Кроме того, возможно горение мономера: (С,НаОД + 60е- 5СО, + 4НеО, Разрушение ПММ сопровождается образованием жидкой пленк1 Присутствие на поверхности ПММ жидкой пленки так же, как и да ПТФЭ, означает, что при рассмотрении механизма разрушения ПМ1 необходимо последовательно учитывать кинетику перехода из твердг фазы в жидкую и из жидкой в парообразную. К сожалению, отсутств1 данных по кинетике переходов в настоящее время затрудняет создан1 достаточно полной картины механизма разрушения ПММ. Замечено, что толщина жидкой пленки уменьшается с ростом лине ной скорости разрушения.
Вязкость пленки постепенно уменьшает~ с увеличением температуры. При разрушении ПММ в условиях знач 1Π— 104 Суйлимирующие н раалагающиеси материалы тельных касательных напряжений и небольших тепловых потоков возможен механический унос жидкой пленки. Рассмотрим теперь характерные процессы, протекающие на поверхности полимера в случае подвода к ней конвективного теплового потока. Для простоты считается, что тепло распространяется лишь в направлении, перпендикулярном поверхности, к которой подводится тепло (ниже будут указаны границы, в которых данное предположение верно). Так же, как и в случае испаряющегося материала, через некоторое время в нем устанавливается квазистационарный профиль температуры, т. е.
температура внутри материала будет зависеть только от расстояния до разрушающейся поверхности. На поверхности температура максимальная и по мере удаления от нее монотонно убывает. Отличие термопластов от сублимирующих материалов состоит в том, что у первых переход в газообразное состояние происходит ие иа поверхности, а в некоторой зоне конечной толщины, примыкающей к ней. Уменьшение температуры на 50 К резко снижает скорость разложения (до 1О раз). Поэтому на достаточном удалении от поверхности разложение не происходит. Если проследить за некоторой точкой внутри полимера, то по мере ее приближения к поверхности температура в этой точке растет, начиная от Те на большом удалении от поверхности.
При этом сначала идет просто нагрев полимера, а затем, по достижении достаточно высокой температуры, начинается его разложение. На рис. 6-2 изображен профиль температуры внутри термопластичного полимера при квазистационарном уносе. Уравнение распространения тепла в зоне 2 совпадает с аналогичным уравнением для сублимирующего материала, а в зоне 3 в уравнение распространения тепла следует включить член, учитывающий поглощение тепла при разрыве химических связей в процессе термодеструкцин полимера. Рассмотрим унос термопластичного полимера с точки зрения баланса энергии.
На рис. 6-3 изображена диаграмма энтальпия — температура для твердого полимера Тз(Т) и газообразных продуктов его разрушения Тл(Т). За нуль условно принята энтальпня газообразных продуктов разложения при нормальных условиях (Т=ЗОО К, р=10' Па). Точка А соответствует энтальпии твердого полимера в нормальных условиях. Переход из точки А в точку В соответствует нагреванию полимера до температуры разложения Тр, а переход из точки В в точку С вЂ” разложению и переходу из конденсированной фазы в газообразную.
Суммарный тепловой эффект (так называемая теплота разрушения) равен: 1, „= (Т„Т, „) + (҄— Тз,в) = е вз (Тр Т ) + Л4 (6-11) Тангенс наклона прямой Тз(Т) соответствует теплоемкости полнме- 14В Ра сз. Параметры разрушения термопластов в (6-12) Первый член описывает перенос тепла за счет теплопроводности, втброй — поглощение тепла прн деструкции, третий — поглощение тепла за счет теплоемкости. Для этого уравнения не существует аналитического решения, поэтому для определения профиля температуры приходится прибегать к помощи ЭВМ.
Однако в уравнении можно сделать Рнс. 6-2. Проонль температуры внутри термопластиеного полимера, разрушашмегася под действием конвективиого теплового потока. г — пепрогретый полнмеш 2 — зона нагрева; 3 — зоил разложения. Рис. Е-3. диаграмма ентальпия — температура для полимера н продук- тов его разрушения. существенные упрощения, если обратить внимание на то, что эона деструкции является очень тонкой и температура в пей меняется мало. Количество тепла, поглощаемое в зоне деструкции за счет разложения, составляет 800 — 2000 кДж/кг, а за счет теплоемкости — 60 — !20 кДж!кг (при перепаде температур в зоне 50 К). В этом случае в зоне деструкции !Ое Теплофизические свойства термопластичных полимеров, в том числе сэ(Тр — Т,), Но и ЛЯсуо могут быть рассчитаны из табл.
6-3. Видно, что величины сэ(Тр — То) и ЛЯсуол одного порядка, т. е. поглощения тепла за счет теплоемкости и в результате разрыва химических связей при термодеструкции одинаково существенны. Если сделать упрощающие предположения об одномерности распространения тепла, о слабой зависимости теплопроводностн от температуры и о заполнении пустот расплавленным полимером, то уравнение распространения тепла при квазистационарном уносе термопластов (в системе координат, связанной с движущейся поверхностью) будет иметь следующий внд: г2зТ пТ )с — — ВрЯ,~е, ехр( — ЕЯТ)+ рс и — = О. пут Сублимирующие и разлагающиеся материалы третьим членом в уравнении (6-!2) можно пренебречь, и оно примет упрощенный вид: ВаОсуел ехр ( — ЕКАЕТ) р иУ ~5 С другой стороны, линейная скорость уноса о„определяется как (6-13) )'Убу в = — = — = ) Вехр( — Е!ГсТ)г(у.
ов е р р о (6-14) Граничные условия этой системы: у=6, Т=-Т.; у Таким образом, температуры на поверхности и в глубине материала считаются известными. Тогда может быть найдено аналитическое решение упрощенного уравнения теплопроводности (6-13), которое дает связь между температурой поверхности Т и массовой скоростью уноси бв.. су Вр — Хз ехр ( — Е)РТ ) Т Е и / ~исуса 2 На рис. 6-4 приведена зависимость суп(Т„) для различных полимеров, рассчитанная согласно (6-15).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
