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     

多向碳/碳复合材料的研究和发展

多向碳/碳复合材料是以多向织物为增强剂,沥青碳、树脂碳、沉积碳为基体复合而成的材料。三向正交结构是多向结构的最简单形式。这种材料的强度极限、断裂应变、烧蚀性能和整体破坏性能比石墨和二向碳/碳材料都高,因此美国首先将其用作MK-12A导弹的端头材料。细编穿刺结构是三向正交结构的改型,和三向正交结构相比细编穿刺结构具有更小的烧蚀量和更好的烧蚀外形,另外通过穿刺过程加入一定的粒子组分从而提高了抗侵蚀性     

聚苯并咪唑吡咯酮增强塑料的烧蚀性能

聚苯并咪唑吡咯酮是一种耐高温的杂环高分子,鉴于其热分解温度在500℃以上,在空气中的热失重小,提供了作为耐高温烧蚀材料的可能性;又因其与玻璃纤维或碳纤维织物的粘附性好,因此制成了层压板,实验结果表明,这种层压制品的烧蚀性能比有机硅高分子、磷-腈高分子以及酚醛树脂制成的烧蚀材料为佳,烧蚀后碳层强度好、收缩较小。     

研制碳布、石墨布的初步考查

一、前言随着宇航及其它尖端技术的飞速发展,迫切希望采用高比强、高比刚的纤维及其织物增强塑料、碳、金属、陶瓷和橡胶等基体材料,制成性能良好,用途广泛的复合材料,以满足苛刻条件下,对结构材料和耐烧蚀材料日益增长的需求。众所周知,碳纤维不足之处是其脆性,各向异性和抗氧化性能差等等,利用它纤细     

碳-碳材料微观结构和烧蚀剥蚀过程的初步分析

碳-碳复合材料具有良好的烧蚀性能和机械性能,以及较好的热物理性能,是战略核武器头部防热材料中极有希望的一种材料。但是它存在“剥蚀”问题,“剥蚀”是影响碳-碳性能的技术关键之一。本文概要地回顾了国外对碳基防热材料的烧蚀剥蚀和破坏的论述。报导了碳-碳材料当前性能,并与国外典型碳一碳材料进行了对比。通过电子扫描显微镜,研究了碳-碳材料的微观结构,重点对三向2-2-2和 Z 向增强毡碳-碳烧蚀后的试样进行了研究、观察和分析。其中包括:基质碳的微观结构和特点;裂缝在基质碳中的取向及其发展;基质碳在烧蚀过程中的变化和破坏;Z 向和 X—Y 向纤维束的结构形态和烧蚀以及“球形碳”和它的影响因素等。提出了对上述材料烧蚀剥蚀过程和热裂破坏特性的初步分析。在此基础上,讨论了研究改进碳-碳材料工艺的方向与措施。     

四向复合材料基材结构的研究

四向碳-碳复合材料是随宇航工业而发展起来的高性能新材料，四向立体织物（简称4D织物）是这种新材料的基材，也可以制成其它不同用途的各种新型四向复合材料。本文以矢量运算方法导出了4D织物的单元结构、整体结构及内部截面，建立了4D织物的组织循环，并对4D织物中纤维束的形状进行了探讨。     

带芯子的碳—碳端头烧蚀外形计算

对电弧加热器试验条件下端头的烧蚀外形进行了数值仿真，考察了碳－碳端头烧蚀外形随来流条件的变化规律，重点研究了将碳－碳端头体轴附近材料换成由另一种烧蚀速度较快的材料制成的芯子后的匹配烧蚀问题，揭示芯子对烧蚀外形的影响规律。     

低密度防热材料烧蚀性能研究

对两种蜂窝增强低密度烧蚀防热材料和一种中密度烧蚀结构材料力学性能及隔热性能进行了测试,同时通过电弧风洞对三种烧蚀防热材料的烧蚀性能进行了研究。结果表明,在一定的热流状态下,蜂窝增强低密度防热材料未出现烧蚀后退,而是轻微膨胀,且材料密度对其烧蚀形貌及碳层厚度均有一定影响;不同防热材料在烧蚀过程中存在热量传递与重新分布,从而减缓防热性能较差材料的烧蚀程度,提高两种材料的烧蚀匹配性能。隔热性能好的材料碳层厚度小,但隔热性能与碳层厚度无线性关系。     

前苏联的防热—介电材料

防热-介电材料也叫防热-无线电透波材料,多数为陶瓷基复合材料,有石英玻璃、三向石英立体织物浸渍硅树脂或硅溶胶等,均属熔化型烧蚀,生成的液膜具有较高的粘度、不碳化并能继续保持透波性能。它可与玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛、碳/酚醛防热材料相匹配使用,用于导弹弹头天线窗防热-介电盖板。     

三向碳-碳复合材料的微观结构

碳-碳复合材料是指用碳纤维或其织物作增强剂,以沉积碳或浸渍碳作基体制成的复合材料。碳-碳材料的性能与它的微观结构有密切的关系。揭示材料微观结构组成的常用方法有偏光显微镜、扫描电镜和透射电镜观察。偏光显微镜观察可以了解材料的微观结构概貌,也可以利用偏光下晶体的光学特性(消光现象)看到不同晶相的组成。但是,一般光学显微镜放大倍数较小(1500倍以下),有些结构     

再入钝锥体烧蚀热防护内部热响应的数值仿真

研究了烧蚀热防护系统内部热响应的计算模型和计算方法.采用碳化层-热解面-原始材料层模型,建立碳基材料内部热响应物理模型和数学模型,利用有限元法分析和计算再入目标热防护系统轴对称内部热响应.着重研究和分析了轴对称烧蚀过程中热解气体质量流率计算方法和传热机制.将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过保证刚度矩阵和形函数矩阵的正定对称性可以加速温度场计算收敛.计算表明:热解气体的质量流量主要由厚度方向构成,占80%以上;头部驻点附近最大烧蚀厚度接近10mm,需要采用抗烧蚀能力强的碳-碳材料,身部烧蚀量小于2mm,可以采用密度较小的碳-酚醛材料.      

三维整体编织碳/酚醛复合材料烧蚀表面状态测试与分析

为了更好地研究三维整体纺织碳／酚醛复合材料的成型工艺对材料烧蚀性能的影响，选用不同纤维体积分数和不同编织结构的碳／酚碳复合材料试样，进行烧蚀试验，利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪对试样烧蚀后的表面进行测试，并采用多种分析方法对测试结果进行分析。从分析结果可以看出三维四向结构的碳／酚醛复合材料随着纤维体积分数的增加，烧蚀性能变好，较低纤维体积分数（50％）的三维五向结构碳／酚醛复合材料具有较好的烧蚀性能。     

三元乙丙橡胶内绝热层与纤维织物复合技术研究

研究了三元乙丙橡胶内绝热层分别与高硅氧纤维、芳纶纤维及碳纤维织物复合后绝热层的烧蚀性能.结果表明:绝热层与纤维织物复合可以提高绝热层的烧蚀性能;在这三种复合方法中,前两种织物分别铺设在绝热层表面的烧蚀性能优于将织物铺设在绝热层内部,后一种织物铺设在绝热层内部的烧蚀性能优于将织物铺设在绝热层表面;相比较而言,加入芳纶纤维织物绝热层的烧蚀性能最好,碳纤维织物绝热层的次之.高硅氧纤维织物绝热层的最差.     

纤维织物增强三元乙丙橡胶绝热材料的制备及性能

为了改善传统短切纤维增强复合绝热材料横向性能较差、层间剪切强度较低、耐冲击性能不足的问题,制备了几种纤维织物增强三元乙丙橡胶(EPDM)复合绝热材料。研究了不同纤维表面改性方法对聚酰亚胺(PI)、芳纶(F-12)和碳纤维(CF)三种纤维织物与EPDM之间的界面粘接性能。将优选的纤维处理方法对三种纤维布进行表面改性处理,制备了纤维织物增强的EPDM复合材料。测试了其力学性能以及耐烧蚀性能。结果表明:三种绝热材料的拉伸强度均在30 MPa以上,耐烧蚀性能优异。在三种织物特定的编织结构条件下,PI/EPDM的线烧蚀率较小,碳层保留最为完整,综合性能最为优异,有望在高性能固体火箭发动机中获得应用。     

树脂基防热材料长时间烧蚀后的变形问题

针对树脂基防热材料长时间烧蚀后变形问题进行了分析,通过对某改性石英纤维织物/酚醛复合材料烧蚀后碳层厚度、不同温度线胀系数及力学性能的测试分析,提出内部热应力是导致材料长时间烧蚀后变形的主要原因.     

硅橡胶涂覆织物的性能优化研究

为优化硅橡胶涂覆织物的防隔热效率,在硅橡胶基体中添加新型耐烧蚀填料,采用新型骨架材料,制备出耐烧蚀硅橡胶涂覆织物;分别研究了纤维织物、耐烧蚀填料对硅橡胶涂覆织物的柔性、拉伸性能和烧蚀性能的影响。试验结果表明:硅橡胶涂覆织物的柔性和拉伸性能主要由纤维织物决定;M40J碳纤维织物作为骨架材料的硅橡胶涂覆织物烧蚀性能更优;当添加短切黏胶基碳纤维作为耐烧蚀填料时,硅橡胶涂覆织物在较高热流条件下(480 kW/m~2、120 s)的防隔热效率更高。     

四向碳/碳复合材料基材结构的研究及其发展前景

本文简要阐述四向织物的结构理论、织物研制工艺和设备以及碳/碳复合及其烧蚀性能的初试情况,然后探讨不同结构的复合材料对性能的影响,提出改善性能和研制各种新结构,以分别用于军品或民品的新设想。     

C/C复合材料在再入模拟环境中烧蚀性能研究

为了研究轴棒法编织的高密度碳/碳(C/C复合材料在再入飞行时的烧蚀性能,采用热等离子体地面模拟再入烧蚀系统对C/C复合材料进行烧蚀试验。试验中分别采用氮气(N、氧气(O和空气作为工作气体,对比研究C/C复合材料在不同环境中的烧蚀率和烧蚀性能。结果表明,三种情况下试样的烧蚀率和微观形貌有很大差异;纯氧气时氧化反应的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0423mm/s和0.0451g/s大于纯氮气时氮化反应的0.0314mm/s和0.0338g/s也大于空气成分时复合反应的0.0215mm/s和0.0208g/s在试样烧蚀的热影响区发生轻微开裂;三种工况下的烧蚀机理不同,分别是碳的升华、碳的氧化和碳氮反应的某种组合。     

一种轻质烧蚀结构一体化材料

针对某产品的防热需求,研究了一种轻质烧蚀结构一体化材料,对其坯料(材料A)的热处理制度及预固化程度进行了研究,确定了最佳的热处理温度和时间;对材料A成型得到的轻质烧蚀结构一体化材料(材料B)的拉伸性能和热物理性能进行测试,通过电弧风洞对烧蚀性能进行考核,并对烧蚀后材料的纵向密度分布进行了分析。结果表明,添加一定的处理剂可提高材料的拉伸强度和断裂延伸率,处理剂可有效增强材料各组分的界面结合强度;材料B的热扩散率比材料C(中密度)低,在中高热流状态下,材料B烧蚀表面碳层完整致密,与材料C相比,线后退率略大,质量损失率略小,背壁温度较低,材料B具有更好的烧蚀隔热性能。     

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。