碳/碳复合材料喉衬的烧蚀计算

本文叙述了热压碳/碳复合材料和石墨在含铝固体推进剂发动机中由于表面化学反应所产生的化学烧蚀的计算方法.通过试验,证明该方法是符合实际的.     

碳毡／碳复合材料的组织与高温退化

用扫描电镜观察碳毡/碳复合材料的断裂样品及在高温真空环境下的烧蚀样品,探讨了其高温下的组织损伤与显微结构的内在联系。结果表明:碳毡/碳复合材料中毡丝随机排列并呈一定的取向,材料表现为准横观各向同性,其组织由浸渍碳基体、CVD 碳致密层和碳丝组成,各周期间产生相互界面,形成环状微裂纹。强度主要来源于 CVD 碳包覆碳纤维结构,浸渍碳组织疏松对强度的贡献少,同时纤维相互搭接形成闭锁网络结构,降低了增强效果。组织的烧蚀受各组分碳的缺陷、致密度影响,浸渍碳最易烧蚀挥发,其次是碳纤维丝,高致密的 CVD 碳最后被烧损。     

碳/碳化锆复合材料烧蚀机理和计算方法研究

研究了碳/碳化锆复合材料氧化烧蚀机理,发现它们与传统的硅基和碳基材料烧蚀有很大差别。基体ZrC氧化后在表面形成一种膨松状的多孔固态抗氧化膜,氧化膜能有效阻止材料进一步氧化,使烧蚀量大大降低。研究了烧蚀过程抗氧化膜的形成、演化和流失行为,研究了氧化膜中氧气的扩散机制(包括分子扩散和Knudsen扩散),研究了材料原始层表面可能存在的化学反应,建立了分析碳/碳化锆复合材料烧蚀响应的物理数学模型。     

喉衬热环境与碳/碳复合材料的烧蚀

在分析固体火箭发动机喷管喉衬热环境与碳/碳复合材料烧蚀行为的基础上，从材料的角度讨论了影响碳/碳复合材料烧蚀性能的因素。结果表明：碳/碳复合材料的烧蚀是受喉衬复杂燃气环境众多因素共同作用的结果，主要的烧蚀效应有碳的升华、表面异相化学反应以及机械侵蚀；影响碳／碳复合材料烧蚀性能的材料本体特性有纤维特性、预制件结构、材料密度、孔隙、基体碳的种类、石墨化度、杂质，其中部分因素存在交互影响的作用。     

问与答

Bhjkhhk 问:1、碳/碳复合材料在航空航天领域有重要作用,它一般是怎样制备的?答:这是一种以碳石墨纤维或其织物为增强材料,以热解碳、沉积碳或浸渍碳为基体的碳基复合材料。它基本上是一种防热功能材料,按照防热原理可分为烧蚀防热材料和热结构材料两大类。烧蚀碳/碳是一种升华型烧蚀材料,利用材料在高温下升华吸热和辐射散热,并能保持烧蚀外形,可用于远程导弹端头和固体火箭发动机喉衬、喷管。主要包括整体碳毡/碳材料和三向碳/碳防热材料等。热结构碳/碳是一     

轴棒法编织C/C复合材料的超声速火焰烧蚀性能

为了研究轴棒法编织、高压浸渍-碳化致密工艺(HPIC)及高温处理工艺制成的高密度的碳/碳(C/C)复合材料在火箭发动机中的烧蚀性能,使用气氧和煤油超声速(HVO)火焰对复合材料进行含铝工况烧蚀/侵蚀实验,烧蚀时间为30s;对比研究了复合材料在有、无含铝粒子侵蚀时烧蚀性能的差别;分别用扫描电镜、微CT和表面能谱分析了不同工况烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,在不同的烧蚀工况下,材料的表面粗糙度不同,微观形貌和烧蚀率也有很大差异;复合材料在无粒子侵蚀工况下的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0318mm/s和0.0319g/s,烧蚀表面呈竹笋状和毛絮状,热化学烧蚀起主导作用;有粒子侵蚀时的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0516mm/s和0.0353g/s,烧蚀表面呈钝竹笋状,纤维从根部断裂,热化学烧蚀和机械剥蚀同时起作用;在纤维和基体表面有Al2O3粒子沉积;含铝烧蚀/侵蚀的线烧蚀率是不含铝烧蚀的1.6倍,质量烧蚀率的1.1倍。在烧蚀区的内部,基体碳受热后开裂,而碳纤维与基体碳间的界面相受热后无明显变化。     

电弧加热器驻点烧蚀/侵蚀试验技术

介绍了在电弧加热器试验设备上进行复合材料烧蚀/侵蚀试验技术,通过改进电弧加热试验设备和粒子播发系统,将石墨粒子均匀注入到高压混合室中,与高温空气混合后经过超声速粒子加速喷管形成烧蚀/侵蚀试验流场,对驻点模型进行试验,同时建立了相应流场参数的测试、计算方法。并对C/C和含钨C/C防热复合材料的抗粒子侵蚀性能进行了初步研究。结果显示有粒子流场的均匀性和重复性较好,能满足材料的烧蚀/侵蚀考核试验要求,且含钨C/C材料的抗粒子侵蚀性能高于C/C材料。     

碳毡/碳喷管喉衬的烧蚀形貌观察

碳毡/碳复合材料喷管喉衬,经地面试车考核,其的抗热震能力明显优于单纯石墨。但也存在一些问题:烧蚀型面不均匀、不光滑,在进气段和喉部有大小不一、分布不均的孔洞,在下游段有冲刷流痕和沟槽。这除了与流场的分布有关外,还与材质的显微结构有关。 本文叙述了碳毡/碳喷管喉衬的烧蚀以及该材料解剖样品在扫描电镜观察下的烧蚀形貌。观察结果表明:(1)CVD碳管中的纤维碳容易氧化,烧蚀往往从纤维碳和基质碳的结合面     

SiC/ ZrC 前驱体配比对 C/ C-SiC-ZrC 复合材料烧蚀性能的影响

以不同质量比Si C/Zr C有机前驱体混合溶液为浸渍剂,采用前驱体浸渍裂解法(PIP)制得C/CSi C-Zr C复合材料。对C/C-Si C-Zr C复合材料的组成、微观结构及烧蚀性能进行了分析和测试,探讨了Si C/Zr C前驱体配比对复合材料烧蚀性能的影响。结果表明,随着Zr C含量的增加,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率呈现出先减小后增大的趋势。采用质量比为1∶3的Si C/Zr C前驱体混合溶液制备的C/C-Si C-Zr C复合材料具有相对较好的烧蚀性能,试样在氧乙炔焰下3 000℃烧蚀20 s,其质量烧蚀率和线烧蚀率分别为-0.65 mg/s和21μm/s。Si C-Zr C复相陶瓷中Zr C含量过低或过高均不利于提高其氧化稳定性,而Zr C含量适中的Si C-Zr C复相陶瓷具有较好的氧化稳定性。     

PIP法制备C/ZrC-SiC复合材料工艺与性能研究

为了提高超高温陶瓷基复合材料的力学性能和耐烧蚀性能,本文采用前驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备了C/ZrC-SiC复合材料,研究了锆硅一体化陶瓷前驱体(ZS)的固化-裂解工艺对C/ZrC-SiC复合材料性能的影响。结果表明:前驱体的裂解温度对复合材料的力学性能影响较大。较高的裂解温度会损坏碳纤维,导致力学性能降低;较低的裂解温度会使碳热还原反应不充分,基体氧含量较高,结构疏松,导致力学性能下降;制备的C/ZrC-SiC复合材料通过了2 850 K的电弧风洞试验考核后线烧蚀率为8.75×10~(-4)mm/s,呈现出优异的耐烧蚀性能。     

碳纤维表面状态对C/C复合材料性能影响的研究

用两种经高温处理的碳纤维织物,以酚醛树脂作为基体先驱体,制备了二维C／C复合材料。通过扫描电镜（SEM）,X－射线光电子能谱（XPS）研究了两种碳纤维（TCF和JCF）的表面状态,测试了C／C复合材料（TCC和JCC）的层间剪切强度,拉伸性能,SEM观察表明,TCF及JCF表面都有沟槽,但TCF横断面呈腰子形非圆形,XPS分析表明TCF表面含氧官能团数量多,力学测试结果为：TCC层间剪切强度（ILSS）高于JCC,达到16．1MPa;TCC拉伸强度,模量均高于JCC,而JCC断裂延伸率达1．1％,是TCC的3倍,拉伸断口SEM分析表明,TCC断口平整,无纤维拔出,呈脆断,JCC断口有纤维拨出,是纤维控制的多层基体断裂。     

碳纤维沥青裂解碳涂层研究

研究了沥青裂解法在碳纤维表面涂覆均匀碳涂层的工艺,并探讨了不同溶剂,不同浓度的涂层溶液对纤维表面形貌和纤维强度的影响。     

碳纤维连续阳极氧化处理及其机理的研究

本文采用自制的阳极氧化处理设备,分别以NH_4HSO_4、NaClO、NaOH、HNO_3为电解质,对碳纤维进行了表面处理。实验结果表明:经过上述处理的碳纤维其环氧基复合材料的层间剪切强度(ILSS)均有较大提高,抗拉强度略有提高,耐冲击性能下降。本文还利用X—射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)等现代分析手段对碳纤维经阳极氧化处理前后的表面元素及官能团种类、含量,碳纤维表面形貌、复合材料的断口形貌进行了分析和研究。     

“三明治”型预制体结构对C/C刹车材料CVI工艺的影响

本试验设计了一种三明治型的C/C刹车材料的预制体结构,并研究了这种三明治预制体结构对C/C刹车材料CVI工艺的影响。结果表明,相对一般针刺毡结构,采用三明治预制体结构制备C/C复合材料时,增密速率快,可有效消除CVI瓶颈效应,密度分布更加均匀;且可一次性致密,无需中间热处理等加工步骤,有效缩短了生产周期,降低了生产成本。     

无纬碳布增强针刺毡C/C复合材料性能的研究

比较了几种不同工艺制备的针刺毡C/C复合材料。对针刺碳毡织物首先进行预增密处理,得到初始密度和碳纤维含量较高的坯料,然后用树脂浸渍法进一步致密化。研究表明,用该方法制备的C/C复合材料比未经预处理的试样,拉伸强度提高39%,压缩强度提高14%,层间剪切强度提高36%。通过SEM观察和常温力学性能的测试,分析表明工艺的改进是强度提高的主要原因。     

当今炭素材料的研究热点和发展趋势

在系统地分析了当今炭素材料研究的基础上，结合科学技术发展的方向提出了炭素科学的研究热点，认为多孔碳材料、纳米碳材料和碳基复合材料是当今炭素材料的研究热点，而由能源的开发与利用、环境的保护与治理和生命科学的发展所引出的新型应用领域则代表了未来几年乃至几十年的研究热点和发展趋势，这些炭素材料的应用则构成了当今炭素材料应用科学的主要研究内容。炭素材料的基础研究主要围绕着炭素材料的性能和应用展开。     

难熔金属及其化合物与C/C复合材料相互作用研究

利用织物混编难熔金属丝和浸渍含难熔金属化合物酚醛树脂两种方法，并结合常用的沥青浸影炭化工艺制备了含WC、TaC、ZrC、HfC的C／C复合材料，分析了难熔金属组分在工艺过程中的变化及其与C／C复合材料的相互作用。结果表明：混编的难熔金属丝既可以与基体碳也可以与碳纤维发生化学反应，导致部分碳纤维被侵蚀受损；另外，由于线膨胀系数差异大，造成难熔金属丝以及周围部分碳纤维或整束碳纤维的断裂。颗粒状难熔金属化合物不会造成整束碳纤维断裂，颗粒表层基体碳的取向程度明显高于周围树脂碳。     

碳纳米管-碳纤维多尺度增强体研究进展

连续碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天领域是一种关键的结构材料,将性能优异的纳米材料引入复合材料中将有可能提高材料的机械性能.文章介绍了化学气相沉积、化学接枝、电泳沉积等技术在制备碳纳米管-碳纤维多尺度增强体方面的研究进展,并阐述了碳纳米管的引入对复合材料界面性能的影响,提出电泳沉积作为一种经济、有效的技术而具有规模化生产的工业潜力.     

防热复合材料抗粒子侵蚀特性研究

研究了含钨Ｃ／Ｃ复合材料、细编穿刺Ｃ／Ｃ复合材料等防热材料抗粒子侵蚀性能及其形貌特征。针对试验结果,探讨了目前侵蚀性能试验存在的问题。指出不同种类的防热复合材料在不同试验条件下表现出不同的抗粒子侵蚀机理和形貌特征,以侵蚀系数Ｃｎ值表征不同防热材料抗粒子侵蚀能力的大小具有不直观性。     

碳/碳材料与石棉/酚醛间热摩擦系数试验

根据固体火箭发动机喉部结构的实际工况,取样并设计试验,采用SRV高温摩擦磨损试验机测试了碳/碳与模压石棉/酚醛材料间的热摩擦系数,总结了这两类材料间的摩擦系数随温度、接触载荷及摩擦速度的变化规律。试验结果表明,碳/碳与模压石棉/酚醛材料间的热摩擦系数随温度升高呈非线性单调下降趋势;含胶层的两材料组件间摩擦系数明显高于无胶层组件间摩擦系数;温度一定条件下,载荷增加使得摩擦系数小幅降低;随着摩擦速度的提高,摩擦系数呈增大趋势。