TiC和ZrC颗粒增强钨基复合材料的烧蚀研究

用氧乙炔焰喷吹法对 Ti C和 Zr C增强钨基复合材料 ( Ti Cp/W和 Zr Cp/W两系列 )烧蚀性能进行了研究。结果表明 ,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率由高到低的排列顺序为 :W>30 Ti Cp/W>4 0 Ti Cp/W>30 Zr Cp/W>4 0 Zr Cp/W( 30 Ti Cp/W表示含 Ti Cp 的体积分数为 30 % ,下同 )。对复合材料在烧蚀初期剧烈的升温过程进行了在线监测。 30 Ti Cp/W和 4 0 Ti Cp/W在烧蚀初期剧烈的升温过程中未能经受住约 2 0 0 0℃ /s升温热震而开裂 ,而 30 Zr Cp/W和 4 0 Zr Cp 能经受约 2 0 0 0℃ /s升温热震。在钨中加入 Ti C和 Zr C颗粒能明显提高钨的抗烧蚀性能 ,而且 Zr C颗粒比 Ti C颗粒更能提高 W的抗烧蚀性能。碳化物含量越高 ,材料的抗烧蚀性能越好。复合材料烧蚀机理是 W、Ti C和 Zr C的氧化烧蚀     

热解炭含量对C/C复合材料性能的影响

研究了不同热解炭含量对C／C复合材料性能的影响。对采用CVD工艺致密到不同密度,具有不同热解炭含量的2D炭布针刺体试样,利用沥青高压浸渍炭化工艺增密至相同的最终密度,然后对其进行力学、热学性能及等离子烧蚀试验。试验结果表明,热解炭含量高的C／C试样具有较好的力学、烧蚀及导热性能。     

硼酚醛烧蚀材料的研究

介绍了炭布增强硼酚醛烧蚀材料（２Ｄ Ｃ／ＦＢ）的制备，研究了工艺对复合材料力学性能和烧蚀性能的影响。结果表明，硼酚醛ＦＢ树脂９００℃残炭率高达７０％，高于普通酚醛树脂（钡酚醛），采用优化工艺制备的２Ｄ Ｃ／ＦＢ材料力学性能和烧蚀性能优异，剪切强度高达３９．７ＭＰａ。     

化学液相沉积制备的炭/炭复合材料烧蚀性能研究

通过等离子烧蚀发动机、小型烧蚀发动机点火试验及微观结构观察,研究了由化学液相沉积制备的炭／炭复合材料的烧蚀性能,分析了其烧蚀前后微观结构的变化,并探讨了其作为固体发动机喉衬、扩散段材料的烧蚀机理。结果表明,由化学液相沉积工艺制得的沉积炭结构的抗烧蚀性能优于炭纤维,其作为喉衬的线烧蚀率为0．008mm／s,证明该工艺是可行的。     

树脂基防热材料烧蚀性能表征的探讨

采用氧-乙炔烧蚀试验研究了传统炭布增强酚醛(钡酚醛)、硼改性酚醛及聚芳基乙炔三种防热材料(C／BaF、C／FB、C／PAA)的烧蚀性能。结果表明，这三种材料的质量烧蚀率和基体树脂的耐热性能一致，数据变异系数Cv较小(7．1％-13．8％)，可作为评价烧蚀材料烧蚀性能的重要指标；线烧蚀率数据的离散系数较大(23．9％-232．5％)。C／BaF和C／PAA材料出现了负的线烧蚀率现象，因此线烧蚀率不适宜作为评价2D树脂基防热材料烧蚀性能的指标。采用质量烧蚀率和烧蚀因子可较好地表征和比较烧蚀材料的烧蚀性能。     

表面氧化处理对提高碳/酚醛材料性能的影响

采用次氯酸氧化和ＫＨ５５０偶联剂对碳纤维表面进行处理，研究了其对提高碳纤维及碳布增强钡酚醛材料力学性能和烧蚀性能的影响，并对氧化处理后碳纤维的表面性能进行了表征。得出，该方法是提高复合材料层间剪切强度和持有效方法，它可 间剪切强度提高了１７．５％，线烧蚀率减小５８．６％。     

改性先驱体制备C/SiC复合材料性能研究

采用交联剂对聚碳硅烷(PCS)先驱体进行改性,以改性先驱体配置溶液制备了C/SiC复合材料。在制备过程中,由于改性先驱体较高的陶瓷产率,缩短了复合材料基体致密化周期,气孔率降低到7.2%,密度提升到2.01 g/m~3。在改善试样显微结构的同时,改性先驱体能够明显提升C/SiC复合材料力学性能,弯曲强度提高到459.4 MPa,断裂韧性提升到13.6MPa·m~(1/2),相比单组分PCS先驱体分别提高了51.9%和32.0%。烧蚀性能考核表明,试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为8.3×10~(-3) mm/s和4.3×10~(-3) g/s,相比单组分PCS制备的试样分别降低了85.7%和73.1%。通过对试样内部显微结构和考核后形貌进行分析,结果表明试样力学和烧蚀性能的提升主要得益于致密化的基体以及基体对纤维很好的保护作用。     

液体火箭发动机喷管延伸段C/C-SiC复合材料的性能

采用化学气相渗透(CVI)和液相浸渍裂解(PIP)混合工艺制备出三维针刺C/C-SiC(材料A、B)和C/C(材料C)复合材料,研究了复合材料的力学、抗热震和耐烧蚀等性能以及SiC涂层对烧蚀性能的影响,并采用扫描电子显微镜分析了材料的断裂面和烧蚀面形貌。结果表明,材料A(SiC基体含量较高)的性能较好,其弯曲强度、线烧蚀率及抗热震系数分别达到238.4 MPa、3.0×10~(-3)mm/s和35.3 kW/m。沉积SiC涂层后,材料A、B和C的线烧蚀率较之前分别降低33.0%、12.5%和37.5%。采用材料A+SiC涂层方案研制的喷管延伸段构件,进行780 s地面热试车考核,试车后构件结构完整。     

高硅氧/酚醛复合材料热变形实验测试及表面烧蚀形貌分析

通过非接触式高温变形测量系统,对高硅氧/酚醛防/隔热复合材料在单侧热流载荷作用下的温度和全场高温变形进行了精确测量,并对试样体积烧蚀后的表面微观形貌进行分析。实验结果表明,利用陶瓷板在1 000℃左右对高硅氧/酚醛复合材料试件辐射加热200 s后,通过测量发现距离加热面12.62 mm处热电偶温度峰值为259℃,从而说明高硅氧/酚醛复合材料具有优良的防/隔热性能。通过DIC方法测得试样加热200 s后沿加热方向的最大位移为0.18 mm,且沿着试样加热方向位移呈现出逐渐递减的规律。通过对材料烧蚀后表面形貌微观观测和分析,发现在试样加热面上出现了凹凸不平的烧蚀坑,并出现了一层很薄的高硅氧纤维高温熔融后的硅氧化合物颗粒结晶状物质。     

C/C复合材料高温热物理性能实验研究

实验研究了烧蚀防热C／C复合材料从常温到高温的等效热膨胀系数、热扩散率、比热随温度的变化情况，并计算了材料不同温度下的热导率与抗热应力系数。结果表明：材料的热膨胀系数很小，接近零膨胀。热扩散率随温度升高而下降，比热随温度升高近似比例增加，而热导率随温度的变化规律与热扩散率相似。材料的抗热应力系数随温度的升高变化不大，抗热震性能稳定。     

预制体及基体对C/C复合材料性能的影响

研究了预制体结构及其成型工艺和基体类型对C/C复合材料的力学性能、烧蚀性能和微观结构的影响。结果表明,它们对C/C复合材料的拉伸和压缩强度影响不显著,而对剪切性能影响明显。采用CVD成型工艺和树脂炭基体,对于二维预制体,C/C复合材料的剪切强度可达19MPa;对于准三维预制体,C/C复合材料层间剪切强度可达20MPa。不同类型的基体炭对复合材料的耐烧蚀性影响不同,CVD炭具有优异的抗烧蚀性能,树脂炭与沥青炭的抗烧蚀性能较差。采用先沉积后树脂浸渍炭化补充增密,可制备综合性能优异的热结构复合材料。     

一种新型滑撬用针刺C/C复合材料制备与性能研究

研制一种新型滑撬用低成本“铺层-针刺”C/C复合材料,分析了其力学性能、热学性能和微观结构,并与现有国外滑撬用C/C复合材料进行了比较。结果表明,研制的C/C复合材料的力学性能、热性能优良,其层间剪切强度、压缩强度和冲击强度分别达到26.98 MPa、255.8 MPa和361.06 J/m,与国外同类材料相比,分别高96.4%、80.1%和262.2%,热导率提高约50%,线胀系数降低约60%以上,有效提高了抗热震性能和高温工作的可靠性。     

炭纤维／环氧树脂复合材料层板连续激光烧蚀数值计算

应用工程软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)编制程序,建立了复合材料瞬态温度场和烧蚀的物理数学模型,利用"杀死"单元的方法实现动边界退移的烧蚀与热传导耦合计算,从而完成了对烧蚀尺寸变化的定量描述;采用AN-SYS中处理相变的方法,通过定义材料随温度变化的焓来考虑潜热。考虑了纤维的烧蚀、树脂分解以及辐射和对流热损失,对炭纤维/环氧叠层复合材料在不同辐射时间下激光烧蚀的温度场和烧蚀率进行数值计算,并分析了烧蚀特性和烧蚀机理,计算结果与实验结果吻合较好,可为复合材料热载荷下的失效分析和抗激光加固技术设计提供理论基础。     

航天飞行器防热层与天线窗口热匹配行为研究

针对防热层与天线盖板的热匹配及烧蚀匹配开展研究,通过有限元方法,分析了尺寸效应对于天线盖板热匹配的影响,同时结合电弧风洞实验验证了防热层与天线盖板在高温下的烧蚀匹配行为。研究结果表明,按照实验件尺寸20 mm×20 mm,在实验环境条件下,防热层最大热应力为2.98 MPa,小于低密度石英酚醛复合材料在高温下的拉伸强度,不存在热匹配风险。当天线盖板尺寸大于60 mm时,防热层局部接触应力约为5.3 MPa,大于防热层在高温下的抗拉强度,天线盖板与周边防热层保证0.3 mm安装间隙,天线盖板在高温下的最大膨胀量为0.03~0.04 mm,远小于间隙值,因此不存在热匹配风险。天线盖板在与防热层烧蚀过程中,由于耐温较高,在高温下基本无烧蚀,低密度石英酚醛防热层烧蚀量约为 1.1 mm,因此在后续防热设计中可在天线盖板前缘处预留台阶,以减小高温下的烧蚀不匹配风险。     

多相流环境下绝热材料烧蚀试验方法研究

为深入了解高温多相流环境中绝热材料烧蚀规律，以氧-煤油烧蚀试验系统为基础，采用氧化硼(B2O3)粉末为添加粒子，发展了一种用于绝热材料烧蚀性能测试的新方法，并进行了验证测试。结果表明：氧-煤油烧蚀试验系统的温度为500~2700 K，射流速度为200~1500 m/s，可通过调整燃烧室压力、烧蚀距离和粒子浓度等参数适应各种烧蚀工况；B2O3颗粒在高温射流中发生熔化、蒸发等相变，可用于模拟火箭发动机中的凝聚相粒子；验证试验中绝热材料的烧蚀率和烧蚀规律与其他多相流烧蚀试验结果相近。结果证明该装置可用于开展多相流环境下绝热材料烧蚀试验研究。     

1700℃高温、有氧及时变环境下隔热性能试验研究

针对高超声速飞行器面临极端高温热环境、飞行器外壳单侧面受热以及温度历程非线性时变的特点,自行设计并建立辐射式极端高温氧化环境下的单侧面试验加热装置,实现了1700℃高温有氧环境下对高超声速飞行器热防护材料的隔热性能试验测试。同时,对轻质陶瓷材料试验件和新型陶瓷、纳米材料复合结构在高达1700℃的高温氧化环境下的隔热性能进行试验测试,并对不同材料及其组合模式进行对比分析,优选高效能的隔热方案,发现陶瓷、纳米材料复合结构试验件比单层轻质陶瓷材料试验件的隔热效果提高了约50%。另外,生成了极端高温非线性时变热环境,并进行相应的隔热性能试验。通过建立极端高温、有氧、单侧面加热、非线性时变热环境试验系统及其实际应用研究,为高超声速飞行器的热防护设计提供重要的试验手段。     

氧化锆热障涂层的组织和性能研究

通过研究发动机热端部件氧化锆热障涂层8YSZ （ZrO2＋8％Y2O3）的结合强度、隔热性能和抗热震性能,分析热障涂层性能和相应的失效机制,总结了传统热障涂层和纳米热障涂层之间性能的差异,研究结果表明：纳米热障涂层的力学性能、隔热能力和抗热震性能均明显优于传统热障涂层.     

C/SiC材料主被动氧化烧蚀机理及计算方法研究

基于热化学平衡方法建立了任意比例C/SiC材料的主被动氧化烧蚀模型,开展了C/SiC材料氧化烧蚀机理的计算研究,并基于典型材料烧蚀试验结果进行了充分验证。计算结果表明,C/SiC材料的氧化烧蚀特性取决于表面温度、氧分压以及组分等因素,可能会出现主动氧化和被动氧化两种破坏机制,目前的烧蚀模型能够预测出任意比例C/SiC材料两种氧化烧蚀机制的转换过程;SiC含量对C/SiC材料的氧化烧蚀特性有明显的影响,随着SiC含量的提升,主/被动氧化转换临界分压会减小,材料的抗氧化性能越好;但当材料均处于主动氧化阶段时,SiC含量越高材料的无量纲烧蚀速率越大,材料的抗烧蚀性能减弱。     

紫外成像光谱仪焦面CCD散热设计及验证

为保证空间紫外成像光谱仪焦面电荷耦合器件（CCD）在低温环境下的工作性能,需对焦面CCD进行散热设计。首先,根据焦面CCD的热耗、工作模式及温度要求,提出以高性能柔性石墨导热索为主要措施的散热设计方案,建立热仿真模型并进行热分析。然后,在真空环境下进行焦面CCD热平衡试验,结果显示：柔性导热索的CCD连接端与热管连接端温差仅为2.3℃,以此推算出导热索自身热阻为0.65℃/W,满足热阻小于1℃/W的指标要求,具有良好的导热性能;焦面CCD在长期工作模式下的温度为-21.4℃,满足低于-20℃的工作温度要求。仿真分析和试验结果基本一致,表明采用柔性石墨导热索结合热管的焦面CCD散热设计方案合理可行。