碳毡-碳复合材料烧蚀样品扫描电镜分析

用扫描电镜观察碳毡-碳复合材料的烧蚀样品,结果表明:预氧化PAN纤维和中强度PAN碳纤维在石墨化过程中,内部结构发生了变化;根据分析结果给出了复合后碳纤维的三维结构模型图,并对烧蚀特征进行了分析。     

碳/碳材料体积烧蚀实验研究

通过实验手段研究了体积烧蚀在材料内部造成的微结构演变情况。给出了材料微结构沿烧蚀轴线方向的分布规律。研究了体积烧蚀对碳／碳材料烧蚀性能的影响。结果表明：服役条件下碳／碳材料发生体积烧蚀会使材料内部的密度、石墨化程度等发生变化，这些微结构变化对材料整体烧蚀性能的影响存在复杂的耦合效应。体积烧蚀对碳／碳材料整体烧蚀性能的影响并不总是消极的，在一定条件下反而有利于材料烧蚀性能的提高。通过本文的研究能够有效的提高碳／碳材料的烧蚀性能理论预测的精度。     

碳/碳材料细观尺度的氧扩散特性与烧蚀分析

将DSMC方法运用在材料细观烧蚀机理分析中,对碳/碳材料在典型烧蚀过程中的简化模型进行了微米量级下的氧扩散特性分析,旨在研究氧分子在材料表面缝隙中的扩散特性及其与壁面的作用规律,计算分析结果验证了纤维烧蚀结构演变特性。结果表明：沿缝隙深度方向,O2与壁面的碰撞频率不断降低;在缝隙入口处烧蚀最快,缝隙深处最慢,碳纤维随着烧蚀过程的进行不断尖化直至达到强度极限产生折断剥离;随着烧蚀过程的不断进行,O2与壁面的碰撞频率增加,材料将烧蚀得更快;在同一烧蚀条件下,O2与壁面发生烧蚀反应的概率越大,将消耗O2越快,致使O2与壁面的碰撞频率降低。     

碳-酚醛复合材料烧蚀特征的扫描电镜分析

用扫描电镜观察了用不同种类碳纤维增强的酚醛树脂复合材料的烧蚀样品,并对其微观结构进行了比较。结果表明:高模量、高强度、中强度碳纤维的结构不同,纤维的烧蚀表面的特征也相应不同。纤维表面及内部杂质对烧蚀性能有不利影响。     

碳/碳复合材料

引言近年来,欧洲动力公司(S.E.P.)对固体发动机喷管部件所用的碳材料,特别是碳/碳材料进行了研制。喷管材料具有耐烧蚀的特性,要经受3000℃以上的高温。由于喷管性能要求非常高,材料必须具有良好的耐烧蚀性能和较低的比重。考虑到在大多数喷管里,化学反应发生在还原介质中,我们认为所能使用的耐热材料中,碳是最可取的。在此文中,我们不评述构成喷管部件的碳结构材料,只简要地论述多晶石墨、热解石墨、碳增强酚醛复合材料和碳/碳材料,侧重介绍后两种,这是欧洲动力公司重点研制项目。     

碳/碳复合材料喉衬烧蚀过程的数值分析及试验研究

喉衬是固体火箭发动机非常关键的部件。自20世纪60年代起,碳/碳复合材料即在固体火箭发动机中得到广泛应用。喉衬材料不仅要承受热负荷、力学负荷和热冲击,还要经受化学侵蚀。喉衬的烧蚀规律,尤其是烧蚀速率及烧蚀机理,对于火箭的研制具有重要意义。采用理论分析、数值仿真及试验研究相结合的方法,具体分析了某固体火箭发动机碳/碳喉衬的烧蚀过程。理论方面,将烧蚀划分为热化学烧蚀及机械剥蚀,建立能量平衡方程。借助商业软件MSCMarc,建立简化的边界条件,采用精确的材料参数,获得了喉衬的烧蚀速率。结果表明,喉部前端烧蚀最为严重,平均烧蚀率约为0.068 mm/s。采用微米CT三维重构技术,获得了试验前后喉衬形貌,得到了喉衬各点烧蚀率。数值结果同试验结果最大误差约为20%。考虑到数值模拟忽略了点火阶段及拖尾段对喉衬的烧蚀作用较小,数值分析得到的烧蚀率应大于实际。     

喷管内衬碳／酚醛的烧蚀模型

本文根据气动热化学烧蚀机理建立了固体火箭喷管内衬碳/酚醛的炭化烧蚀模型,并进行了扩张段的烧蚀率和温度分布预示计算.碳/酚醛受热时形成炭化层、热解层和基体层,主流和热解气体中具有氧化性的组分在表面与碳发生异相反应,材料的消耗带走了大量的热,有效地保护了基体.采用化学动力学控制的三方程模型、建立了化学反应质量计算方程;采用多层复合结构的瞬态导热方程和坐标变换的方法处理烧蚀移动边界,温度场计算方程;由壁面上的能量守恒关系,取得了烧蚀和温度场的耦合.通过计算,获得了烧蚀率、壁温随时间和沿喷管扩张段长度的变化,以及喷管扩张段材料内部的温度分布.导热方程用隐式格式求解,大大节省了计算机时.     

基于碳/碳化硅复合材料的研究与应用

对采用碳化硅作为基体,碳纤维编织体作为复合增强材料的碳/碳化硅复合材料的性能进行了研究与验证。结果表明,该复合材料在常温下,弯曲强度大于350MPa,拉伸强度为190MPa,具有较好的抗氧化性。静力学环境下,产品的安全系数可达到3.7;固体发动机尾焰烧蚀条件下,质量损失率3%;电弧风洞烧蚀环境中,质量损失率0.3%,几乎零烧蚀。     

碳纤维及碳-碳复合材料透射电镜样品制备方法

研究了碳纤维和碳-碳复合材料透射电镜样品制备技术。超薄切片法具有很多优点,并与离子轰击法进行了比较。用金刚石刀超薄切片法制备的薄膜样品电子透明度高,平行度好,而且具有清洁的表面。并对在电镜观察中识别在薄膜的制备过程中引入的假象做了分析。     

印度研制的碳酚醛模压喷管喉部入口段烧蚀层

碳酚醛复合材料由于高的耐烧蚀性,已广泛地用作能承受严酷加热环境的火箭喷管烧蚀层。烧蚀层可用布带缠绕或玫瑰花瓣模压制成,从而获得按要求取向的叠层受气流作用。固体火箭发动机潜入型喷管喉部入口段由于燃烧产物的环流作用,不得不经受严酷的加热环境和粒子冲刷,这要求具有各向异性的烧蚀层材料能均匀烧蚀,预防改变气流路线。目前使用的材料有碳/碳或碳酚醛,尽管3D碳/碳具有所要求的各向异性和耐烧蚀性,但需专用工艺设备,并且价格昂贵。印度已将可变叠层取向的两层或多层碳酚醛烧蚀层用于大型喷管。     

基于热解过程的变热物性碳/酚醛能量扩散数值研究

为了研究碳/酚醛材料内部能量传递以及体积烧蚀过程,基于热解动力学模型,提出了碳/酚醛复合材料热物性随温度和时间的变化模型。通过热解过程中材料本身不断发生变化的密度来反推酚醛树脂、炭纤维、树脂碳以及材料孔隙的体积比,以此来推断材料的瞬态物性参数。在该前提下,常用的碳/酚醛三层模型中的分层结构可在程序内部通过对密度的判定来获取,实现了传热烧蚀的耦合计算。研究结果表明,在受热初期,热解层厚度及材料质量损失速率迅速增高;随着时间的推进,能量逐渐向材料内部进入,并在进入过程中同样由于热解吸热、气体逸出以及对外界热辐射在逐渐衰减,使得能量渗透速度减缓;仿真结果与氮气氛围下的激光烧蚀试验结果吻合较好。     

固体火箭发动机碳/碳喷管喉部表面消蚀的气热化学分析

本文对先进大型固体发动机碳/碳喷管喉部的消蚀过程进行了气热化学分析,分析认为碳/碳喷管喉部表面消蚀的主要原因是水蒸气对碳的化学侵蚀.分析过程中应用了几个专有的数值计算程序,并用碳/碳材料表面消蚀速率和表面粗糙度的实验结果作了验证.计算结果表明,在模型中采用的从点火开始时平滑的初始碳/碳材料表面的层流附面层转变为稳定工作时粗糙的烧蚀碳/碳表面的紊流附面层状态时的假设,使实测消蚀数据和预测值十分吻合.     

日本研制一种新型碳/碳耐高温复合材料

日本宇宙开发事业团在研制“大和”小型航天飞机上,采用了一种碳/碳耐高温复合材料。该材料拟用在发动机喷管和航天飞机返回大气层时承受高温的壳体主翼底面等处。此种复合材料采用将碳纤维浸入碳粒子之中的方式,使烧蚀趋近于零,强度也相当     

碳基材料端头帽的烧蚀、温度场和热应力的综合分析算法

本文叙述飞行器的再入热环境、烧蚀、传热和热应力等的综合分析计算原理及一些处理技巧。对碳基材料烧蚀表面的化学反应,利用选择性计算的结果简化了热化学烧蚀计算,采用等距和不等距的三层显式差分格式计算温度场;热应力是在线弹性假设下根据不完全的广义位能原理用有限元法计算的,可计算多种位移边界条件的影响。在编制的综合分析程序中,实现了一种自动划分网格技术,有利于选形计算。     

美国固体发动机碳/碳喷管材料现状

本文是关于美国碳/碳喷管材料近况的综述文章。原文没有作者,所以也没有出处,标题是我们自己加上的。本文是我国的一位专家从国外带回的一位美国教授整理的资料。我们在内容和文字上做了些精减,但据我们对美国碳/碳喷管材料现状的了解,这是一篇较为难得的材料。对于从事碳/碳材料研究的人员,可以较为真切地了解多维编织,浸渍碳化复合工艺的动向;对于使用碳/碳材料的设计人员也许可以从中吸取一些对设计工作有益的经验。将碳/碳复合材料成功地用于固体火箭喷管设计是一个很复杂的问题。这种碳/碳复合材料的特性是:在复合过程中,它要经受相似甚至大于火箭发动机工作时间的应力应变;因此进行喷管热结构分析时,要求充分熟悉这种复合材料是怎样制备的,此外,由于材料的基本组分因部位而异,也足以严重影响预测结构合理性的置信度等。本文介绍了为解决上述问题,多年未进行的相关的逻辑的成果。在所提及的三个主要项目中,阐述了其工业生产能力和最新的技术水平。这三个项目是:生产与质量保证;烧蚀预测与控制;结构设计与分析。最后又按这三大项的分类,或按其适用范围的方式,对本文提出的问题的各个方面作出总的评价。     

添加树脂碳对针刺C/C-SiC材料熔渗行为及性能的影响

以2.5D无纬布/网胎叠层针刺预制体为增强体，采用化学气相渗透和树脂浸渍裂解法制备了密度约1.35 g/cm³的热解碳C/C、热解碳+树脂碳C/C两种坯体，再经反应熔渗获得C/C-SiC复合材料，分析了不同碳基体组分C/C材料的熔渗特性及其微结构、拉伸性能及氧乙炔烧蚀性能的变化规律。结果表明：相比热解碳的“薄壳”型孔隙结构，树脂碳的“狭缝”型孔结构增大了液Si与碳基体的接触面积，提高了熔渗动力，获得致密度和SiC含量高的C/C-SiC复合材料，提升抗烧蚀性能，在氧乙炔火焰下经400～600 s烧蚀的线烧蚀率降低24%,但树脂碳对液Si的诱导渗透增加了骨架承载体的损伤，使树脂碳+热解碳基C/C-SiC复合材料室温拉伸强度(104±3)MPa低于热解碳基C/C-SiC的(118±3)MPa。     

热化学烧蚀理论在喷管碳酚醛材料上的烧蚀应用研究

针对固体火箭发动机研制中应用广泛的碳布／高硅氧布酚醛缠绕制品，采用三方程热化学烧蚀反应理论和模型，对固体火箭发动机喷管扩散段进行了热化学烧蚀研究，并在某型号发动机上进行了验证计算。研究结果表明：该计算和试验结果基本吻合，具有一定的工程指导作用。     

结构改性酚醛树脂基材料性能研究

在616酚醛树脂基础上，研究了碳布增强邻苯基苯酚改性酚醛材料的成碳、力学及烧蚀性能，并对基体进行了添加填料改性，碳布织物进行单层针刺改进．结果表明，改性酚醛树脂材料的力学性能与钡酚醛材料相当，烧蚀性能提高，碳粉加入后，抗烧蚀性能进一步提高，针刺结构能提高材料综合力学性能，材料烧蚀过程中分层现象减少。     

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％。     

低密度碳/酚醛复合材料的制备及其性能研究

以降低传统碳/酚醛复合材料密度为目的,在对复合材料密度进行理论分析计算的基础上,采用在酚醛树脂中添加轻质填料的方法制备低密度碳/酚醛复合材料,按照正交实验法对轻质填料含量以及复合材料制备工艺参数进行分析与优化。结果表明,分别采用聚丙烯腈基碳纤维和粘胶基碳纤维作为增强材料,研制的碳/酚醛复合材料的密度分别为1.339 g/cm~3和1.211 g/cm~3,拉伸强度分别为294 MPa和131 MPa,剪切强度分别为15.0 MPa和14.7 MPa,室温热导率分别为0.215 W/(m·K)和0.476 W/(m·K),200℃热导率分别为0.340 W/(m·K)和0.599 W/(m·K),氧乙炔线烧蚀率分别为0.011 mm/s和0.030 mm/s,复合材料密度降低的同时,其他性能满足固体火箭发动机喷管烧蚀防热材料的使用要求。