Тепловое разрушение материалов - часть 44

8.1. Эффект накопления тепла в поверхностном слое низкотеплопроводных материалов при тепловом 
       разрушении 

 

178

 
ков и применимость установленных закономерностей при их тепловом разрушении требует проверки. 
Полученные результаты еще не позволяют сделать однозначный вывод о влиянии накопленного теп-
ла  (энергии)  в  поверхностном  слое  на  процесс  достижения  стационарного уноса  массы,  так  как  не-
стационарный режим разрушения поверхности при наличии в материалах внутреннего фронта газо-
образования и без него существенно отличается.  

При испытаниях образцов коксующихся теплозащитных материалов, например, асботекстолита 

в  потоке  воздушной  плазмы  в  первом  приближении  можно  считать,  что  разрушение  поверхности 
происходит  под  влиянием  термического,  термомеханического  и  окислительного  воздействий  набе-
гающего газового потока. На рис. 5.3 (см. разд. 5.1) приведены результаты исследования закономер-
ности 

τ

≈

∆

K

*

 для образцов асботекстолита, испытанных в условиях радиационного и конвективно-

го нагрева в струе воздушной плазмы при двух значениях теплового потока, одинаковых для радиа-
ционного и конвективного нагрева (т. е. практически при одинаковых темпах нагрева). При одном и 
том же тепловом воздействии в условиях радиационного и конвективного нагрева скорость разруше-
ния поверхности отличалась почти в три раза. Вид нагрева (точнее различие в механизмах уноса мас-
сы) сильно влияет также на установившееся значение глубины прококсованного слоя асботекстолита. 
Так, например, значение 

3

10

5

,

1

−

⋅

≈

δ

c

м характерно для конвективного и совместного радиационно-

конвективного нагрева в потоке воздуха, т. е. в условиях термомеханического и окислительного воз-
действия. При нагреве в потоке азота 

c

δ  достигает ~

3

10

3

−

⋅

м, а при радиационном нагреве ~

3

10

5

,

5

−

⋅

м.  

Учитывая, что зависимость температуры поверхности для всех вариантов нагрева при одном и 

том же тепловом потоке почти совпадала (рис. 8.3), а тангенс угла наклона линейных зависимостей 
(

a

K

),  был  примерно  равен,  то,  и  эффективный  коэффициент  температуропроводности  прококсо-

ванного слоя можно считать одинаковым, несмотря на его различную толщину в условиях радиаци-
онного и конвективного нагрева в потоках воздушной и азотной плазмы. 

 

 

 
Рис. 8.3. Зависимость температуры 
поверхности образцов асботекстоли-
та, испытанных в различных усло-
виях нагрева: 1, 2 – конвективный  
нагрев в потоках воздуха и азота;  
3 

− радиационный нагрев; точки –  

эксперимент, линии – аппроксимация 

 

 

Отсюда следует, что увеличение скорости уноса за счет различного механизма разрушения по-

верхности  асботекстолита  при  одинаковом  темпе  нагрева  приводит  только  к  сокращению  времени 
существования линейных зависимостей

τ

=

∆

f

*

, но не меняет скорости перемещения изотермы кок-

сования  (

K

 

1070

*

≈

T

), а, следовательно, и скорости фильтрации газообразных продуктов через про-

коксованный слой.  

В  этих  экспериментах  неожиданным  оказалось  то,  что,  вопреки  принятым  представлениям,  в 

условиях  одного  вида  нагрева  глубина  прококсованного  слоя  асботекстолита  в  момент  завершения 
нестационарного периода коксования 

c

δ

τ  достигала одного и того же значения независимо от уровня 

подводимого теплового потока (рис. 8.4, б). При этом скорость уноса, например, для конвективного и 
совместного радиационно-конвективного нагрева в потоке воздуха, изменялась более чем на порядок 
(

3

10

)

6

,

0

05

,

0

(

−

∞

⋅

−

=

V

м/с, рис. 8.4, а).  

 

Глава 8. Энергоемкость внутренних процессов поглощения тепла при тепловом разрушении  

материала  

 

179

 

 

 

 
Рис. 8.4. Скорость уноса (а) и 
толщина прококосованного слоя 
(б) асботекстолита при конвек-
тивном и совместном радиаци-
онно – конвективном нагреве в 
зависимости от конвективного 
теплового потока: 1 – конвектив-
ный нагрев; 2–4 – совместный на-
грев, лучистый тепловой поток  
q

л

 = 4200, 6300, 10 500 кВт/м

2

; точ-

ки – эксперимент, линии – аппрок-
симация 

 

 
Это  противоречит  экспериментальным  результатам,  полученным  на  образцах  стеклопластика 

на  эпоксидном  связующем  и  кварцевой  стеклокерамики,  толщины  прококсованного  (рис. 7.7, разд. 
7.2) и прогретого слоя (рис. 7.13, разд. 7.3) которых убывают при увеличении скорости уноса и хоро-
шо согласуются с расчетом по (7.5) при постоянных значениях коэффициента температуропроводно-
сти (а = 0,25

⋅10

-6

 м

2

/с и 0,65

⋅10

-6 

м

2

/с, соответственно). 

При  тепловом  разрушении  композиционного  материала,  в  том  числе  асботекстолита,  сильное 

влияние на формирование температурного поля внутри материала оказывает фильтрация газообраз-
ных продуктов разложения связующего. При повышении уровня подводимого теплового потока воз-
растает скорость их выхода (рис. 8.5, б), а, следовательно, и количество поглощаемого газообразными 
продуктами  тепла.  Принципиальное  различие  в  зависимостях  стационарных  значений  прококсован-
ного слоя асботекстолита и стеклопластика от скорости уноса массы определяется только тем, обра-
зуется при разрушении наполнителя пленка расплава или нет. Пленка расплава, которая образуется в 
процессе плавления наполнителя, может не только закрыть каналы в прококсованном слое, но и су-
щественно изменить механизм разрушения материала. Характер прогрева и разрушения такого стек-
лопластика близок к механизму разрушения материалов на основе кварцевого стекла. В этом случае 
охлаждающая  роль  газообразных  продуктов  разложения  связующего  резко  уменьшается,  так  как 
практически прекращается фильтрация через пористый коксовый слой. При этом, как следует из рис. 
7.7, значение эффективного коэффициента температуропроводности практически не зависит от ско-
рости уноса массы. 

На рис. 8.5 и 8.6 показано, что при свободной фильтрации газообразных продуктов через про-

коксованный слой его толщина выходит на постоянное значение также и при других механизмах раз-
рушения поверхности и не зависит от природы материала. 

Экспериментальные результаты, приведенные на рис. 8.7, а, дают возможность оценить влия-

ние  газообразных  продуктов  разложения  связующего  на  эффективную  температуропроводность  ас-
ботекстолита в нестационарном режиме прогрева. В табл. 8.1 даны значения коэффициента а, полу-
ченные по формуле 

)

(

ξ

∗

τ

−

τ

=

∆

a

K

 (5.7) и выражению  

(8.2)

         

          

          

          

          

          

          

, 

4

2

2

δ

∞

τ

=

K

V

a

 

 
 

8.1. Эффект накопления тепла в поверхностном слое низкотеплопроводных материалов при тепловом 
       разрушении 

 

180

 
вытекающему из формулы (6.27) для определения времени установления стационарного режима кок-
сования, при котором 

∞

θ

= V

V

*

. Здесь коэффициент 

K  определяется по (5.22). 

 

 

 

Рис. 8.5. Зависимости линейного уноса (а) и глуби-
ны прококсованного слоя (б) асботекстолита АП от 
времени при радиационном нагреве (СГУ-4): 1, 2, 3- 

4

л

10

 

 

0,21)

 

0,63;

 ;

05

(1,

⋅

=

q

 кВт/м

2

; точки – эксперимент 

 

Рис. 8.6. Зависимости скорости уноса (а) и глу-
бины прококсованного слоя (б) углепластика 
УСС-2 от калориметрического теплового потока 
при нагреве в воздушной плазме: точки – экспе-
римент  

 

  Из таблицы видно, что значение температуропроводности 

а для скорости уноса 0,25

⋅10

-3 

м/с 

примерно в три раза превышает его величину, полученную при скорости 0,065

⋅10

-3

 м/с, и удовлетво-

рительно согласуется с данными работы [139]. В то же время из рис. 8.5, 

б следует, что примерно во 

столько же раз приращение скорости уноса массы за счет газообразных продуктов разложения свя-
зующего при 

∞

V = 0,25

⋅10

-3 

м/с больше, чем при 

∞

V = 0,065

⋅10

-3

м/с. Необходимо отметить, что при оп-

ределении  коэффициента 

а  через  тангенс  угла  наклона  линейной  зависимости 

)

(

*

τ

=

∆

f

  для 2-го 

режима нагрева следует рассматривать только нестационарный участок (до 8 с нагрева).  

 

Следовательно возрастание эффективной теплопроводности прококсованного слоя асботексто-

лита происходит в основном за счет повышения скорости выхода газообразных продуктов разложе-
ния связующего при их фильтрации через пористый слой. 
 

Анализ результатов, приведенных на рис. 6.4 и рис. 8.7, 

а подтверждает вывод о том, что в по-

верхностном слое разрушающегося материала при повышении его температуры от 

р

T  до 

w

T

, дейст-

вительно, накапливается тепло, величина которого не зависит от перепада температур (

p

T

T

w

− ) [244]. 

При уносе массы материала без внутреннего источника газообразования нестационарный режим за-
канчивается  после  того,  как  это  тепло  (определяемое  константой  теплового  разрушения)  будет  по-
глощено унесенной массой c его поверхности [250]. Уравнение (6.7), описывающее унос массы в не-
стационарном периоде, при подстановке в него соответствующих значений 

)

(

v

S

τ , 

v

τ и 

у

τ , переходит 

в уравнение (5.24), из которого получено значение константы 

р

T

K . 

 

В свою очередь, на рис. 8.7 видно, что при свободном выходе газообразных продуктов разло-

жения связующего нестационарный участок линейного уноса с поверхности материала практически 
отсутствует (рис. 8.7, а, светлые треугольники и точки), а стационарный режим разрушения поверх-
ности начинается сразу после того, как накопленное тепло будет поглощено за счет фильтрации газо-
образных продуктов разложения связующего. 

Глава 8. Энергоемкость внутренних процессов поглощения тепла при тепловом разрушении  

материала  

 

181

 

 

 

 
Рис. 8.7. Зависимость линей-
ного уноса 

)

(

τ

S

, толщины 

прококсованного слоя 

)

(

τ

δ

c

(а) и массового уноса 

Σ

G

(б) асботекстолита от 

времени нагрева:  
1 – 

 

м/с

10

065

,

0

3

−

∞

⋅

=

V

;  

2 – 

 

м/с

10

25

,

0

3

−

∞

⋅

=

V

;  

точки – эксперимент; линии –  
аппроксимация; светлые точки 
– унос массы; темные точки –  
прококсованный слой 

 

 
Таблица 8.1 

− Влияние темпа нагрева на эффективный коэффициент температуропроводности 

                         прококсованного слоя асботекстолита 

6

10

⋅

a

, м

2

/с 

к

q

,  

кВт/м

2 

3

10

⋅

∞

V

, 

м/с 

w

T , К 

a

K

, 

м/с

0,5 

δ

τ , с 

(5.7) (8.2) [139] 

1600 0,065 2160  0,7  30  0,21 0,21 0,36 

10 

000 0,25 2980 1,45  8  0,73 0,69 0,72 

 

Поскольку  за  время  нестационарного  периода  прококсованный  слой  достигает  постоянной 

толщины  и  не  зависит  от  скорости  уноса  массы  при  заданном  механизме  разрушения  поверхности 
(рис. 8.7, а, темные треугольники и точки), то из этого следует, что в нестационарном периоде коксо-
вания выделяется приблизительно одинаковое количество газообразных продуктов [290].  
 

Причиной этого, по-видимому, является то, что коэффициент K, определяющий скорость пере-

мещения изотермы коксования (5.7), при наличии внутреннего фронта газообразования стремится к 
своему минимальному значению, которое при уносе массы рассчитывается по (5.22). В этих условиях 
происходит  изменение  скорости  фильтрации  газообразных  продуктов  разложения  связующего  про-
порционально подводимому тепловому потоку, т. е. происходит «саморегулирование» эффективного 
коэффициента температуропроводности таким образом, чтобы скорость перемещения изотермы кок-
сования в нестационарном режиме не превышала величины, определяемой зависимостью (5.22). При 
этом суммарная толщина прококсованного и унесенного слоев в момент установления стационарного 
режима  коксования  достигает  одной  и  той  же  величины  (

∼2δ

с

),  которая  определяется  механизмом 

разрушения поверхности (термическим, термоэрозионным и окислительным), независимо от величи-
ны подводимого теплового потока и связанного с этим изменения скорости разрушения поверхности 
(рис. 8.7, а).