石墨渗金属防热材料是满足航空航天要求而产生出的一类新型防热材料,它是以石墨为基体,在其中渗入轻金属如Al、Mg来实现防热的目的的。石墨渗金属防热材料的基本特点:一是依靠金属的液化、气化来消耗外界的热量;二是金属气化后还要消耗外界的氧气,从而切断基体氧化的源头;三是金属在高温氧化的同时在表面自发生成氧化物陶瓷膜,从而保护基体不被烧蚀。本文首先深入分析石墨渗金属防热材料的传热特点,建立三层结构的传热模型,推导出每层完整的数学描述,包括控制微分方程、边界条件及其移动界面的能量守恒方程。运用体积元数值求解方法计算了烧蚀过程中材料的升温特性曲线。将烧蚀过程分为四个阶段,第一阶段—非稳态升温阶段;第二阶段—吸热熔化阶段;第三阶段—液铝升温阶段或蒸发熔化耦合阶段;第四阶段—蒸发烧蚀阶段。在烧蚀初始,材料迅速升温,当表面温度到达Al的蒸发温度时,表面升温速率迅速下降,随着气液界面逐渐向下移动,界面以上的材料升温速率又开始加快,界面以下的材料升温速率逐渐变缓,整个烧蚀过程的曲线呈阶梯状。氧乙炔烧蚀实验中材料的升温特性曲线表明:Gr/Mg防热材料中Mg发生氧化反应,一方面放出热量使表面温度升高,另一方面又生成MgO陶瓷膜阻碍热量向材料内部传递;Gr/Al防热材料通过Al的蒸发吸热,实现热防护的目的。通过模拟结果与实验结果的对比证明了建立的传热模型是正确的。最后通过对材料参数的讨论,给出了石墨渗金属防热材料设计的优化方案。