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摘要

多材復(fù)合高溫基線密封件是一種集隔熱芯材、金屬編織彈簧管和陶瓷纖維編織管于一體的新型多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，在動(dòng)載荷作用下具有柔性、耐高溫、耐磨和密封等多功能優(yōu)異性能，尤其對(duì)提高新一代高速飛行器熱端部件的綜合性能上起到關(guān)鍵性作用。它綜合利用了內(nèi)層隔熱芯材的熱防護(hù)、中間層高溫合金編織彈簧管的彈性回復(fù)和外層陶瓷纖維管的耐熱、耐磨等各自的性能優(yōu)勢(shì)。然而，由于各基材結(jié)構(gòu)和性能之間的差異性，多材混雜結(jié)構(gòu)與整體性能調(diào)控之間的內(nèi)在聯(lián)系尚不明確?；诖?，首先介紹了多材復(fù)合高溫基線密封件各組成材料特性及其制備工藝；其次，對(duì)現(xiàn)有高溫基線密封件的理論和數(shù)值模型等研究方法進(jìn)行梳理和歸納；再次，闡述了多材復(fù)合高溫基線密封件在關(guān)鍵制備工藝和高溫動(dòng)載荷服役過程中存在的主要技術(shù)挑戰(zhàn)；最后，對(duì)多材復(fù)合高溫基線密封件的研究發(fā)展趨勢(shì)和潛在工程應(yīng)用進(jìn)行了展望。

作者：魏雨函,  曾琴,  白鴻柏,  薛新, 

福州大學(xué)　機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116

 

正文：

 

在高速飛行器運(yùn)行過程中，控制機(jī)翼會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致控制翼與尾翼間的間隙發(fā)生變化，這可能會(huì)致使高壓熱氣流會(huì)通過間隙進(jìn)入飛行器內(nèi)部，從而損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)并可能導(dǎo)致飛行器失控。新型飛行器內(nèi)部需要高精度和高可靠性的密封件，以確保各種系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)等。此外，新型飛行器在極端的高溫環(huán)境中需保持超高速飛行和高機(jī)動(dòng)性能，同時(shí)滿足高的燃油效率和低排放。這要求對(duì)動(dòng)密封件在滿足極端的服役環(huán)境的同時(shí)為飛行器提供可持續(xù)性、安全、高精度和高可靠性的性能。因此，制備新型高溫動(dòng)密封件被認(rèn)為是制約新型飛行器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。

 

早在20世紀(jì)80年代末，NASA對(duì)高溫動(dòng)密封件進(jìn)行研究，主要包括兩種類型：陶瓷柵板密封和纖維編織繩密封[3-5]，如圖1所示。陶瓷材料較脆難以適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境而受到限制。而纖維編織繩密封件由保護(hù)套和芯材組成，主要采用全陶瓷纖維材料，密封件的彈性主要依賴于纖維材料本身的彈性，因此在間隙變化較大的環(huán)境下難以保持彈性密封，并且在高溫環(huán)境中容易發(fā)生永久變形。為了克服這些問題，研究人員在纖維編織繩密封件的基礎(chǔ)上添加了金屬編織彈簧管，以提高密封件整體的彈性。從而創(chuàng)新發(fā)展了新型的多材復(fù)合高溫基線密封件，如圖1所示。

 

 

隨著超高速飛行器對(duì)速度要求的不斷提高，密封件在飛行器移動(dòng)襟翼、升降舵邊緣以及鉸鏈線等位置[6](圖1)的服役環(huán)境變得更加惡劣，這也對(duì)高溫動(dòng)密封件的設(shè)計(jì)、制備和性能調(diào)控提出了更高的挑戰(zhàn)。為了探究極端環(huán)境下動(dòng)密封件的性能，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)飛行器的密封環(huán)境設(shè)計(jì)了熱暴露試驗(yàn)[6]、壓縮試驗(yàn)[7-8]、摩擦試驗(yàn)[9]、泄漏/密封試驗(yàn)[10]以及電弧噴射試驗(yàn)[11-12]等，并研發(fā)相關(guān)的裝置。試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫基線密封件最需要解決兩個(gè)方面問題：一是飛行器提速會(huì)導(dǎo)致密封件的使用環(huán)境溫度高達(dá)1400℃以上；二是在飛行器運(yùn)行中，動(dòng)密封件的使用環(huán)境惡劣(如高溫動(dòng)摩擦、高溫壓縮等)會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生永久性變形，密封件僅使用8次后就需要更換。為解決上述問題，需要通過多學(xué)科交叉設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高溫基線密封件具有良好的耐高溫和隔熱性能、高溫回彈性、耐摩擦性能以及可重復(fù)使用性。

 

在高溫氣流場(chǎng)、高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等復(fù)雜多物理場(chǎng)服役環(huán)境下，多材復(fù)合高溫基線密封件各組件之間的多功能制約/耦合作用不可避免，同時(shí)具有一定的兩面性。其中較為積極的一面表現(xiàn)為：各組件結(jié)構(gòu)和多功能特性之間相互制約和強(qiáng)耦合，充分發(fā)揮各組件的性能優(yōu)勢(shì)以及協(xié)同機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多材復(fù)合高溫基線密封件的完美多功能特性。比如，金屬編織彈簧管的熱膨脹和熱傳導(dǎo)系數(shù)通常高于陶瓷纖維材料。因而防熱纖維編織外套除了具有耐磨、耐腐蝕、抗氧化和隔熱能力外，還可約束金屬絲產(chǎn)生過大的膨脹變形以及防止其發(fā)生高溫蠕變失效。由于陶瓷纖維材料相對(duì)柔軟，金屬編織彈簧管為其提供彈性變形和一定的強(qiáng)度以防止整體結(jié)構(gòu)發(fā)生壓縮變形或纖維斷裂失效。在高溫動(dòng)摩擦環(huán)境下，溫度突變以及熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致各組件內(nèi)部應(yīng)力有所不同。其中芯材占比較大，且芯材和防熱纖維編織外套之間材料的差異性較小，因而可以制約內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力差異。較為消極的一面主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：一是各組件界面復(fù)合存在連接強(qiáng)度弱、性能突變等不穩(wěn)定性；二是流-熱-固多場(chǎng)耦合服役環(huán)境下，涉及到材料學(xué)、熱力學(xué)行為、表面摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、流體學(xué)等交叉學(xué)科范疇，各組件結(jié)構(gòu)和多功能特性之間的解耦難度大；三是尚缺乏有效的針對(duì)多材復(fù)合材料的多物理場(chǎng)耦合理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)同步采集技術(shù)手段。簡言之，正是上述這些積極和消極的兩面性，系統(tǒng)開展多材復(fù)合高溫基線密封件的基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用潛力探索具有一定的挑戰(zhàn)性。本文首先圍繞多材復(fù)合高溫基線密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各組成材料特性及制備工藝等國內(nèi)外研究進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)述，然后對(duì)其相關(guān)的理論模型和數(shù)字化建模方法進(jìn)行梳理和歸納，最后對(duì)高溫基線密封件的性能進(jìn)行分析并展望其制備工藝的關(guān)鍵技術(shù)和潛在工程研究發(fā)展趨勢(shì)。

 

1 高溫基線密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備

 

多材復(fù)合高溫基線密封結(jié)構(gòu)最早由NASA提出，并已在X-38飛行器方向舵/垂直尾翼密封上得到應(yīng)用。近年來，國內(nèi)的一些學(xué)者和應(yīng)用單位意識(shí)到這種新型復(fù)合材料的重要性并進(jìn)行了深入研究。多材復(fù)合高溫基線密封件是由隔熱芯材、金屬編織彈簧管以及防熱纖維編織管組成的一種耐熱柔性復(fù)合材料，如圖2所示。目前，多材復(fù)合高溫基線密封的研究多數(shù)是基于各組件材料的探究，進(jìn)而擴(kuò)展到密封件整體性能進(jìn)行探索。

 

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇

 

1.1.1 隔熱芯材

 

目前，多材復(fù)合高溫基線密封件內(nèi)部的隔熱芯材通常包括陶瓷纖維紗線、石英纖維紗線、陶瓷纖維棉和石英纖維隔熱氈等，如表1所示。在最初制備高溫基線密封件時(shí)，NASA選擇了Saffil陶瓷棉絮材料作為隔熱芯材，但隨后的研究發(fā)現(xiàn)，將棉絮狀芯材應(yīng)用于航天飛行器時(shí)，由于其無序性，會(huì)導(dǎo)致棉絮在飛行期間從端口被吸出[3]。通過纖維紗線包覆棉絮狀陶瓷材料制備柔性隔熱氈，不僅可以解決上述問題，還具有一定的可重復(fù)使用性，目前已在運(yùn)載火箭上得到應(yīng)用[13]。

 

DeMange等[14]發(fā)現(xiàn)在編織彈簧管內(nèi)部填充Saffil隔熱棉絮時(shí)，其能夠在一定程度上提高密封件彈性。因此，在高溫基線密封件中，隔熱芯材的應(yīng)用不僅僅是起到隔熱的作用，在一定程度上選擇合適的隔熱芯材可以增強(qiáng)基線密封件的整體力學(xué)性能。為了探究和提升柔性隔熱材料的性能，國內(nèi)外學(xué)者做了一定研究，如：Tran[15]發(fā)現(xiàn)含有Al2SiO5陶瓷片或者涂層的隔熱氈具有較好的耐燃性；Shen等[16]采用真空過濾和膠體加工相結(jié)合的方法制備一種具有80%以上回彈量和較高壓縮比的莫來石密封墊；Jia等[17]采用吹塑紡絲和煅燒工藝可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)具有較低導(dǎo)熱系數(shù)和吸聲性能的層狀陶瓷海綿。因此，合理選擇和設(shè)計(jì)隔熱芯材對(duì)多材復(fù)合高溫基線密封件的整體性能起著至關(guān)重要的作用。

 

1.1.2 防熱纖維編織外套

 

防熱纖維編織外套對(duì)高溫基線密封件在高溫、高壓和摩擦等服役環(huán)境下的密封性能至關(guān)重要。目前，防熱纖維材料一般是基于Al2O3和SiO2兩種陶瓷纖維構(gòu)成的。NASA[18-19]使用4個(gè)系列的陶瓷纖維材料Nextel312、Nextel440、Nextel550和Nextel610(其成分組成如表2所示)用于制備編織外套，并設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量纖維材料摩擦性能的銷-盤試驗(yàn)裝置。結(jié)果顯示：降低SiO2含量或增大纖維直徑雖可以提高纖維材料的耐摩擦性能，但也會(huì)致使材料柔性變差。此外，在高溫環(huán)境下硼元素會(huì)降低纖維的耐摩擦性能，還發(fā)現(xiàn)在820℃下硼元素會(huì)導(dǎo)致Nextel312外套表面發(fā)生玻璃化現(xiàn)象[14]。為了避免防熱纖維編織外套出現(xiàn)磨損和壓潰失效而導(dǎo)致密封件損壞，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開始探索材料的選擇和性能研究[20]，比如，Dellacorte等[21]研究基于Si-C-O和Si-N-C-O兩種纖維材料的耐摩擦性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些材料在900℃以上會(huì)發(fā)生機(jī)械斷裂和氧化磨損，因此不適合在高溫基線密封件的服役環(huán)境中使用；Ogasawara等[22]對(duì)三維編織Si-Ti-C-O纖維材料與玻璃密封劑復(fù)合進(jìn)行了電弧噴射試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)與玻璃密封劑復(fù)合的編織纖維材料表面會(huì)形成硅化物表層，可以避免快速升溫現(xiàn)象。

 

纖維直徑、編織角以及編織結(jié)構(gòu)均會(huì)對(duì)纖維編織件的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，通過優(yōu)化和拓展纖維編織件的制備工藝，可以在一定程度上使多材復(fù)合高溫基線密封件突破耐高溫極限[23]，其中常見的防熱纖維編織外套，如表3所示。Steinetz等[24]研究發(fā)現(xiàn)適量增加纖維編織密封件的預(yù)壓縮量和編織角度可以降低泄漏量，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)通過在單級(jí)纖維芯上包覆纖維外套可以減少泄漏量。焦亞男等[25-27]定義了三維四向和三維五向的編織密封結(jié)構(gòu)，并通過泄漏試驗(yàn)將三維編織結(jié)構(gòu)與二維包芯密封件進(jìn)行對(duì)比。他們發(fā)現(xiàn)三維編織密封件氣密性較好，其氣體滲透量與密封件的壓差呈正相關(guān)，與密封件壓縮率呈負(fù)相關(guān)。此外，降低紗線的直徑和增大編織角度有助于提高編織密封件的壓縮性能。Nance等[28]利用高速成像和數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)SiCf-SiCm復(fù)合材料管的失效行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)編織角度是影響其彎曲強(qiáng)度的主要因素。此外，薛云嘉[29]發(fā)現(xiàn)增加編織外套層數(shù)雖能夠改善密封件的隔熱性能，但層數(shù)過多會(huì)降低密封件整體結(jié)構(gòu)的彈性性能。

 

纖維編織管可通過與特異材料相復(fù)合形成增強(qiáng)型纖維管，以實(shí)現(xiàn)增加其承載能力及耐磨性能[30]。Sarawate等[31]發(fā)現(xiàn)采用鎳基高溫合金絲包覆陶瓷纖維而成的繩密封適用于具有高溫、需要低裝配載荷和小瞬變的密封位置。除了從纖維編織工藝的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)外，未來的發(fā)展趨勢(shì)還包括通過豐富纖維編織外套的復(fù)合結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)其力學(xué)性能。Ravandi等[32]將針織纖維材料與基質(zhì)材料復(fù)合，并研究發(fā)現(xiàn)在復(fù)合前對(duì)針織纖維材料進(jìn)行拉伸而形成的超彈性現(xiàn)象可顯著地改善復(fù)合材料整體的力學(xué)性能。

 

1.1.3金屬編織彈簧管

 

多材復(fù)合高溫基線密封件的回彈性能一直是國內(nèi)外學(xué)者面臨的難題之一，其彈性主要依靠金屬編織彈簧管。目前在高溫基線密封件上應(yīng)用的金屬彈簧編織管形式主要包括：Strecker(S型)支架、斜圈彈簧、Wallstent(W型)支架，它們的優(yōu)缺點(diǎn)如表4所示。雖然斜圈彈簧不適合作為高溫基線密封件的彈性元件，但研究發(fā)現(xiàn)將其作為柵板式密封元件和基線密封件等動(dòng)密封件的預(yù)緊裝置可以提高整體系統(tǒng)彈性，從而改善動(dòng)密封件在高溫環(huán)境下的永久失效問題[33-34]。對(duì)于W型的金屬編織彈簧管，其節(jié)點(diǎn)之間的約束和連接問題是一個(gè)難點(diǎn)。若采用焊接連接各節(jié)點(diǎn)，由于節(jié)點(diǎn)過多而具有較高的加工難度，且易出現(xiàn)應(yīng)力集中。Freitas等[35]發(fā)現(xiàn)W型編織管比S型具有更好的剛度和抗彎剛性。然而多材復(fù)合高溫基線密封件需要良好的柔性和彈性，因此一般選用S型編織彈簧管作為彈性元件使用。

 

為了提高密封結(jié)構(gòu)的彈性，DeMange等[14]將由Rene41和InconelX-750材料編織成的金屬編織彈簧管應(yīng)用于高溫基線密封件上并對(duì)其進(jìn)行壓縮測(cè)試。他們發(fā)現(xiàn)采用Rene41彈簧管的密封件彈性相較于InconelX-750增強(qiáng)了約20%。此外，編織彈簧管的彈性性能不僅受到材料選擇影響之外，還受到編織結(jié)構(gòu)、參數(shù)(如并行股數(shù)和絲徑)以及熱處理方式的影響[36]。鄭碩等[37]研究發(fā)現(xiàn)金屬絲的斷裂強(qiáng)度、彎曲剛度和磨損次數(shù)均與金屬的股數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)金屬絲的直徑和股數(shù)增大時(shí)，金屬絲網(wǎng)狀織物的強(qiáng)度可得到明顯的提升[38]。Taylor等[36]發(fā)現(xiàn)金屬絲的直徑增大可改善編織彈簧管的彈性，且增加編織彈簧管金屬絲的數(shù)量可使金屬編織彈簧管具備較高的剛度。薛云嘉等[39]采用12針、2股絲的編織工藝將直徑為0.12mm的鎳基高溫合金絲編織成彈簧管，并研究其回彈性能。研究結(jié)果表明，在800℃以下且壓縮率小于50%的條件下，編織彈簧管的回彈率不低于95%。Taylor等[40-41]發(fā)現(xiàn)Rene41彈簧管與InconelX-750相比具有良好的耐溫能力。通過20次循環(huán)壓縮試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)優(yōu)化金屬彈簧管的幾何形狀和熱處理可以提升金屬編織彈簧管彈性，如圖3所示。可知，兩種金屬編織彈簧管在1100℃下失去了彈性，因此尋求耐高溫和高彈性材料是高溫基線密封實(shí)現(xiàn)突破耐高溫極限和重復(fù)使用的方法之一。

 

隨著材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)科交叉的發(fā)展，金屬彈簧編織管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也迎來了新方法與新技術(shù)。在其編織工藝方面，除了現(xiàn)有的3種彈簧制備方法，還可引入金屬絲網(wǎng)的編織技術(shù)和研究方法。Ebadi等[42]將平紋編織金屬絲網(wǎng)與相變材料相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)在相變材料的作用下，金屬絲網(wǎng)的熱傳導(dǎo)率和能量儲(chǔ)存速率增加。此外，Paquette等[43]在斜圈彈簧上添加含鉬涂層以提高其耐高溫性能。Patil等[44]將阿基米德螺旋形式的金屬絲網(wǎng)安裝在活塞式壓縮機(jī)內(nèi)部并測(cè)試其壓縮性能，結(jié)果表明在高功率和高密度下，其具有良好的壓縮效率。因此未來可考慮選用耐高溫材料與金屬編織彈簧管相結(jié)合或采用可變結(jié)構(gòu)的金屬編織件，以在滿足高彈性的同時(shí)提升金屬編織彈簧管的耐高溫能力。

 

1.2制備工藝

 

多材復(fù)合高溫基線密封件雖已在飛行器上取得應(yīng)用，但由于高溫基線密封的組成部分種類繁多，且組件間差異性較大。制備工藝通常采用填充方法，而填充均勻性難以把控，因此尚未建立完整的制備工藝流程及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。另外，各組件對(duì)整個(gè)密封件性能的影響并非簡單累加關(guān)系[14]。因此，建立多材復(fù)合高溫基線密封各組件之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及探索其制備工藝與性能調(diào)控一體化技術(shù)對(duì)規(guī)范制備工藝流程具有重要意義。

 

根據(jù)現(xiàn)有的多材復(fù)合高溫基線密封件的制備工藝，其制備流程如圖4所示。其中，在選擇陶瓷纖維棉作為多材復(fù)合高溫基線密封結(jié)構(gòu)芯材時(shí)，由于陶瓷纖維材料本身的脆性，選用直接填充法容易導(dǎo)致纖維斷裂和粉化，且存在填充不均勻的問題。因此多采用勻漿機(jī)將陶瓷纖維溶于水，纖維會(huì)因自身重力而自然沉降形成纖維薄網(wǎng)，最后在常溫下通風(fēng)干燥并通過包卷制成所需尺寸后繼續(xù)烘干。然而在烘干時(shí)，芯材會(huì)發(fā)生膨脹變形不利于高溫基線密封整體結(jié)構(gòu)制備。因此，薛云嘉[29]在制備隔熱芯材時(shí)，采用了石英纖維溶解在水中，并添加環(huán)氧樹脂作為臨時(shí)添加劑。此外，還采用帶芯編織的方式(將制備隔熱芯材作為芯軸)制備編織彈簧管和纖維外套。這種方法可以避免在烘干過程中芯材的膨脹變形，有助于更好地維持高溫基線密封整體結(jié)構(gòu)的制備質(zhì)量。

 

韓碩[45]利用改裝臥式針織圓緯機(jī)制備S型金屬彈簧管，并探索了不同的隔熱芯材制備工藝，包括盤根型、棉絮填充型和纖維預(yù)包覆法等。為解決手動(dòng)填充纖維棉絮不均勻現(xiàn)象采用浸濕法和紙卷導(dǎo)管法制備芯層。此外，采用了纖維預(yù)包覆法制備氈狀材料的隔熱芯材。盤根型結(jié)構(gòu)編織工藝采用立式72錠編織機(jī)用以編織紗線類隔熱纖維材料，且可通過改變紗線類型制備出不同的盤根型結(jié)構(gòu)件，如圖5所示。另外，采用纖維預(yù)包覆法將隔熱性能優(yōu)異的石英纖維制備成芯體的高溫基線密封件表現(xiàn)出良好的隔熱效果，并且整體構(gòu)件具有較好的均勻性和密實(shí)度。對(duì)于氈狀材料制備隔熱芯材除采用纖維布包覆外，還可采用纖維線縫合技術(shù)連接[46]。薛云嘉等[47]采用纖維線縫合技術(shù)得到具有良好隔熱能力的柔性隔熱氈。這些技術(shù)和方法有助于改進(jìn)多材復(fù)合高溫基線密封件的制備工藝，并提高其性能。

 

2 理論模型

 

多材復(fù)合高溫基線密封件的力學(xué)性能研究涉及到多個(gè)理論模型，主要包括彈性、傳熱、流動(dòng)以及滲透模型。Cai等[48-49]基于非線性彈性模型建立纖維體積分?jǐn)?shù)與時(shí)間的模型，用于研究纖維繩密封件在壓縮試驗(yàn)過程中的變形行為。在使用Ergun方程研究泄漏試驗(yàn)中氣體流動(dòng)的研究中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)小于約0.1時(shí)，才可以忽略非粘性效應(yīng)。此外，他們還建立了預(yù)緊力與發(fā)動(dòng)機(jī)壓力之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以估算不同壓力下纖維繩密封件的密封性能[50]。Steinetz等[51]通過流動(dòng)模型對(duì)纖維繩密封整體的泄漏量進(jìn)行研究。Mutharasan等[52]將纖維繩密封提出了兩個(gè)流動(dòng)模型，一個(gè)是將其整體視為一個(gè)均勻纖維結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是將防護(hù)層和芯體分別看作均勻纖維結(jié)構(gòu)。他們通過Kozeny-Carman(K-C)方程對(duì)其泄漏量進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬(圖6)，發(fā)現(xiàn)將整體密封件分成兩個(gè)部件可提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。Jing等[53]基于K-C方程和Kozeny理論提出了三維編織密封件在室溫下氣體滲透性能的理論模型，發(fā)現(xiàn)纖維體積分?jǐn)?shù)和壓縮比均與氣體滲透率呈負(fù)相關(guān)。Xu等[54]建立了非正交本構(gòu)模型以研究由網(wǎng)狀纖維與橡膠復(fù)合而成的密封件的力學(xué)行為，并引入相互作用項(xiàng)以更好地表征了其力學(xué)行為。這些理論模型有助于深入理解多材復(fù)合高溫基線密封件的力學(xué)性能，并為優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)提供了重要的參考。

 

Dellacorte等[21]在對(duì)纖維材料進(jìn)行摩擦試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)纖維的耐摩擦性能與其拉伸強(qiáng)度有關(guān)，通過使用量綱分析確定了纖維的耐摩擦性能和拉伸強(qiáng)度與施加的摩擦應(yīng)力比值間的關(guān)系。Poincloux等[55]對(duì)S型纖維編織物在拉伸試驗(yàn)過程中的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行研究，并建立相應(yīng)的彈性模型。薛云嘉等[39]建立了編織彈簧管壓縮率與回彈率之間的關(guān)系，其中金屬編織彈簧管的壓縮過程，如圖7所示。Shang等[56]從彈簧理論出發(fā)，推導(dǎo)W型編織彈簧管彎曲剛度計(jì)算公式，且其同樣適用于雙層編織彈簧管。劉俊立等[57]將高溫基線密封件簡化為由纖維束組成的多孔結(jié)構(gòu)，并根據(jù)Kozeny-Carman方程建立密封件泄漏速率與孔隙率的關(guān)系方程以預(yù)測(cè)多材復(fù)合高溫基線密封件的泄漏規(guī)律。

 

目前對(duì)多材復(fù)合高溫基線密封件整體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的服役環(huán)境下的理論研究較少，因此將研究方向由單一組件/環(huán)境變量向整體結(jié)構(gòu)/多場(chǎng)耦合方向轉(zhuǎn)變，并探索混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與服役環(huán)境的耦合關(guān)系，將會(huì)是多材復(fù)合高溫基線密封件理論研究的發(fā)展趨勢(shì)。

 

3 數(shù)值模擬

 

為精確觀測(cè)多材復(fù)合高溫基線密封件的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及預(yù)測(cè)其失效行為，數(shù)值模擬顯得尤為重要。吳大方等[58]根據(jù)材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的關(guān)系，使用ANSYS對(duì)陶瓷纖維氈進(jìn)行隔熱效果研究。Golewski等[59]建立氧化鋁纖維氈與環(huán)氧樹脂復(fù)合的模型，并模擬隔熱性能。Zuo等[60]利用有限元模型分析三維五向編織復(fù)合材料的壓縮損傷失效行為，結(jié)果表明其損傷行為表現(xiàn)為軸向紗損傷、紗線與基體界面脫粘及基體斷裂。石多奇等[61]采用計(jì)算機(jī)斷層(CT)掃描技術(shù)測(cè)得三維編織陶瓷基復(fù)合材料孔隙率，并在其胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技術(shù)加入氣孔單元來模擬孔隙以觀測(cè)孔隙率對(duì)其彈性常數(shù)的影響規(guī)律。Ravandi等[32]建立基質(zhì)增強(qiáng)的針織纖維物復(fù)合材料的有限元代表性體積單元(RVE)模型用于研究拉伸行為與界面損傷機(jī)制。Yu等[62]建立不同纖維體積分?jǐn)?shù)下的橡膠復(fù)合纖維的RVE模型以研究其抗壓能力。Zhang等[63]建立短纖維增強(qiáng)的橡膠密封復(fù)合材料中纖維隨機(jī)分布有限元模型用于預(yù)測(cè)其在疲勞試驗(yàn)下的損傷模式。

 

為了研究編織彈簧管性能與變形規(guī)律，需對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)建模，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)編織彈簧管從設(shè)計(jì)到系統(tǒng)建模都做了一定的研究[64-66]。Oswald等[67]建立了斜圈彈簧的有限元模型，并研究了其端部效應(yīng)及摩擦規(guī)律。此外，他們通過構(gòu)建最小彈簧單元進(jìn)而構(gòu)造單圈折線螺旋，從而通過織構(gòu)排列優(yōu)化得到彈簧管軌跡，最后通過掃掠制備S型編織管(圖8)并研究了在其壓縮變形中幾何參數(shù)與最大應(yīng)力和載荷間的關(guān)系?；谶@項(xiàng)工作，王鵬等[68]建立編織彈簧管的有限元模型，用于研究編織參數(shù)對(duì)其高溫回彈性能的影響。結(jié)果表明其回彈率與編織環(huán)的寬度和高度呈正相關(guān)，而與金屬絲直徑呈負(fù)相關(guān)。此外，他們還發(fā)現(xiàn)編織環(huán)半徑與其回彈性的關(guān)系不大。巴全坤等[69]參考Pierce線圈模型對(duì)編織彈簧管進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接觸摩擦因數(shù)為0.1時(shí)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果十分吻合。常健等[70]通過簡化彈簧模型測(cè)試其回彈性，結(jié)果顯示降低S型彈簧管的軸向編織密度和提高其圓周編織密度均可提高彈簧管回彈性，且向外編織的彈簧管回彈性比向內(nèi)編織的回彈性高。

 

此外，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)密封件性能從多場(chǎng)耦合角度出發(fā)進(jìn)行研究[71]。Zheng等[72-73]提出了一種新的二維和三維力學(xué)-熱-滲流耦合模型，用于研究纖維繩密封的工作過程，他們通過建立彈性模量、溫度、滲透率和體積應(yīng)變間的方程，采用單元微分法求解其耦合關(guān)系。白瑜光等[74]基于高斯-賽德爾分塊迭代耦合方法提出了一種一體化耦合計(jì)算方法，并使用改進(jìn)型VanDriest變換方法提出航天器高溫?zé)崦芊獾乃矐B(tài)多物理耦合分析方法以預(yù)測(cè)對(duì)高超聲速流動(dòng)環(huán)境。Yang等[75]為研究往復(fù)性密封件的泄漏行為提出了一種混合彈流潤滑模型，發(fā)現(xiàn)泄漏量與密封表面粗糙度和速度呈正比，與流體黏度成反比。

 

由于多材復(fù)合高溫基線密封件是一種集隔熱芯材、金屬編織彈簧管和纖維編織外套于一體的多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，目前關(guān)于多材復(fù)合高溫基線密封的數(shù)值模擬研究主要集中在整體性能或單一組件結(jié)構(gòu)的研究上，各組件間的影響規(guī)律還不夠明確，因此剖析各組件間的界面關(guān)系是一項(xiàng)需要突破的技術(shù)瓶頸。

 

4 性能分析

 

預(yù)測(cè)超高速飛行器在8.88馬赫的飛行速度下其表面溫度可高達(dá)1700℃。通過X-38飛行器的方向舵和尾翼進(jìn)行建模并對(duì)其進(jìn)行了二維流體動(dòng)力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)高熱流只發(fā)生在縫隙入口處[76]。因此，在超高速飛行器的應(yīng)用中，對(duì)多材復(fù)合高溫基線密封件在實(shí)際服役環(huán)境中的性能進(jìn)行分析至關(guān)重要。Dunlap等[6,77]通過多項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證多材復(fù)合高溫基線密封件在飛行器上的適用性，包括熱壓縮、熱摩擦、密封泄漏以及電弧射流試驗(yàn)。

 

研究表明，多材復(fù)合高溫基線密封件的回彈性能與壓縮百分比呈正相關(guān)，與壓縮循環(huán)次數(shù)以及溫度均呈負(fù)相關(guān)。隨著試驗(yàn)溫度的升高金屬編織彈簧管會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的變形失效，致使密封件截面變成橢圓形且整體彈性大幅下降。雖剩余彈性仍能滿足單次飛行任務(wù)的密封要求，但不利于實(shí)現(xiàn)密封件的重復(fù)使用。此外，泄漏量隨著壓縮水平的增加和間隙尺寸的減小而減少。在X-38飛行器的舵/鰭部件采用雙密封組件并對(duì)其進(jìn)行泄漏量分析，發(fā)現(xiàn)雙密封件的泄漏量均低于單密封件，且壓縮量為0%的雙密封組件的泄漏量是壓縮量為20%的兩倍。在室溫環(huán)境下進(jìn)行高溫基線密封件進(jìn)行擦洗實(shí)驗(yàn)以研究其在循環(huán)擠壓過程中的磨損性能。結(jié)果顯示密封件的外套可能出現(xiàn)纖維斷裂和磨損，甚至出現(xiàn)外套被撕裂和金屬彈簧編織管外露現(xiàn)象。然而當(dāng)摩擦片粗糙度降低后密封件可承受1000次的循環(huán)擦洗試驗(yàn)。此外，通過電弧射流實(shí)驗(yàn)?zāi)M典型流動(dòng)邊界條件發(fā)現(xiàn)高溫基線密封件可限制縫隙入口處的熱流進(jìn)入，并顯著降低溫度和壓力進(jìn)入密封位置內(nèi)部。王振峰等[78]通過電弧射流試驗(yàn)?zāi)M折疊翼縫隙處環(huán)境以測(cè)試多材復(fù)合高溫基線密封件的隔熱能力，如圖9所示。結(jié)果顯示未采用多材復(fù)合高溫基線密封件的試驗(yàn)工裝在高溫氣流作用下迅速升溫，出現(xiàn)脫粘、燒蝕和損壞等現(xiàn)象，而采用密封件的試驗(yàn)件表面保持完好且背面溫度上升較小，且表面溫度不超過100℃。

 

DeMange等[3]研究發(fā)現(xiàn)高溫暴露試驗(yàn)會(huì)對(duì)高溫基線密封件的性能和形狀發(fā)生一定的影響。在1040℃下對(duì)密封件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其截面呈橢圓形，無法恢復(fù)到初始的圓形截面。此外，與多材復(fù)合高溫密封件暴露試驗(yàn)前對(duì)比，發(fā)現(xiàn)密封件的柔性變差。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)這種變化的原因在于高溫環(huán)境下高溫合金絲的屈服強(qiáng)度降低。此外，如圖3可知，采用InconelX-750和Rene41高溫合金絲編織的金屬彈簧管在20次的循環(huán)壓縮下其彈性恢復(fù)力均會(huì)變差，且會(huì)產(chǎn)生永久變形損傷。

 

綜上所述，目前多材復(fù)合高溫基線密封件雖能滿足單次飛行器的使用需求。但當(dāng)服役環(huán)境溫度較高、壓縮變形量和動(dòng)態(tài)摩擦較大時(shí)，會(huì)發(fā)生永久性變形，并致使熱氣流進(jìn)入飛行器內(nèi)部，從而導(dǎo)致飛機(jī)失穩(wěn)。因此，有必要研發(fā)耐超高溫度的柔性隔熱芯材和防熱纖維編織外套材料，探索新型耐高溫金屬彈簧材料和結(jié)構(gòu)及建立完善制備工藝以提升多材復(fù)合高溫基線密封件在高溫動(dòng)載荷服役環(huán)境下的耐超高溫及可重復(fù)使用性能。

 

總結(jié)與展望

 

本文針對(duì)多材復(fù)合高溫基線密封件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和性能調(diào)控的不確定性等問題，分別從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝、理論模型、數(shù)值模擬以及性能分析等幾個(gè)方面開展了系統(tǒng)的國內(nèi)外研究報(bào)道綜述和發(fā)展趨勢(shì)展望，對(duì)其未來在航空熱端動(dòng)密封件的研究和工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。研究進(jìn)展和展望可歸納為以下幾點(diǎn)：

 

(1)多材復(fù)合高溫基線密封件是一種由金屬與陶瓷纖維混雜復(fù)合材料，但其各組件間的內(nèi)在聯(lián)系尚不明確，因此探索其制備工藝-性能調(diào)控一體化技術(shù)和規(guī)范工藝流程對(duì)多材復(fù)合高溫基線密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重大意義。未來可通過研制耐超高溫度的柔性隔熱芯材、發(fā)展高溫合金材料和探索新型耐摩擦防熱纖維編織材料，同時(shí)尋求耐超高溫涂層和豐富新型結(jié)構(gòu)角度入手以突破結(jié)構(gòu)本身的耐高溫極限及實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用性；

 

(2)在多材復(fù)合高溫基線密封件的理論研究方面，混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的服役環(huán)境使理論研究從單一組件/環(huán)境變量向混雜結(jié)構(gòu)/多場(chǎng)耦合方向發(fā)展。探索混雜復(fù)合材料與服役環(huán)境的耦合關(guān)系將會(huì)是多材復(fù)合高溫基線密件的主要研究方向；

 

(3)在數(shù)值模擬方面，建立各組件模型以及探索界面關(guān)系將會(huì)對(duì)多材復(fù)合高溫基線密封件的整體性能表征和變形機(jī)制分析起著關(guān)鍵性作用。尤其是考慮精準(zhǔn)化建模、各組件間勾連鑲嵌作用及高溫動(dòng)載荷服役環(huán)境下其各組件間摩擦磨損行為，是今后重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)；

 

(4)在性能分析方面，目前多材復(fù)合高溫基線密封件因具有良好的隔熱及阻隔泄漏量能力而在高速飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、舵等方面得到了應(yīng)用。然而，受限于目前材料回彈、耐高溫、重復(fù)使用等性能，仍不足以滿足能源化工、冶金工業(yè)、車輛工程、航空航天等行業(yè)的應(yīng)用需求，因此，需要加大高溫基線密封件新型材料的研發(fā)，拓展新型結(jié)構(gòu)以及完善制備工藝的制定。