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。     

等离子喷涂成型钨基材料及薄壁构件研究

对小型固体火箭发动机喷管喉衬内衬用零烧蚀材料进行研究。采用大气等离子喷涂工艺成型难熔金属钨基薄壁构件,并进行材料性能表征。结果表明,等离子喷涂工艺成型钨材料经烧结、渗铜处理后,致密化程度提高,力学性能提升,压缩强度达750 MPa以上,通过试验条件为温度3 000～3 500 K、工作时间6.4 s、平均压强3.2 MPa的小型试验发动机热试车考核,材料烧蚀率为零。喷涂钨/烧结/渗铜材料可作为3 000 K条件下零烧蚀材料的候选。     

ZrCP/W复合材料在发动机试车条件下的热震烧蚀行为

采用热压烧结法制备了ZrCp／W复合材料环形试样，测试了该复合材料试样在发动机试车条件下的热震烧蚀性能。结果表明：ZrCp／W复合材料具有良好的抗热震和耐烧蚀性能．试验后试样整体结构完好，未出现炸裂和破碎的现象，线烧蚀率仅为-0．05mm／s。该复合材料的主要烧蚀机制是机械剥蚀，此外还有熔化烧蚀和热化学烧蚀。     

固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

固体火箭发动机用C/SiC导流管烧蚀性能研究

采用地面试车试验考核了固体火箭发动机用C/SiC导流管的烧蚀性能,并对C/SiC导流管的烧蚀机理进行了探讨。结果表明:导流管轴向线烧蚀率变化较大,沿气流方向呈上升趋势。材料的线烧蚀率从进口处的0.018mm/s增至出口处的0.032mm/s,且导流管中间段烧蚀稳定性明显优于进口段和出口段。同时,C/SiC导流管的烧蚀机制主要是粒子冲刷和机械剥蚀共同作用的结果。     

反应熔渗工艺制备的C/C-SiC复合材料烧蚀性能及构件研制

采用反应熔渗工艺(RMI)快速制备了不同碳化硅含量的C/C-SiC复合材料,通过氧-乙炔烧蚀试验,测试了材料的烧蚀性能。利用SEM/EDS表征了复合材料烧蚀后的表面形貌和成分,分析了碳化硅含量对复合材料烧蚀性能的影响。结果表明,随着基体中碳化硅含量的提高,烧蚀过程中生成的二氧化硅保护膜更加致密,导致C/C-SiC复合材料的烧蚀率逐渐降低。在此基础上,利用优化工艺制备了密度均匀的大尺寸C/C-SiC构件,经过地面热试车考核,构件接近零烧蚀,满足发动机热试车的应用。     

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。     

200N Cf/SiC复合材料推力器研制

为了研制Cf/SiC复合材料推力器,对Cf/SiC复合材料物理性能进行了试验研究,测试了Cf/SiC复合材料在空间复杂环境下的适应性及力学性能;采用化学气象沉积法制备抗氧化涂层;采用自动缠绕成型工艺制备Cf/SiC复合材料喷管;采用Ti-Ni复合钎料进行了高温钎焊试验,获得了最优的钎焊工艺参数,完成了Cf/SiC复合材料与金属铌的钎焊连接;制备了试验样机并进行了热试车考核.结果表明,Cf/SiC复合材料在经历各种空间环境后,仍可保持良好的力学性能,涂层具有较好的抗氧化能力.热试车过程中,稳态试车室压平稳,脉冲工作时,推力器响应迅速,脉冲一致性好;燃烧效率达到设计要求,钎焊缝结构完好,Cf/SiC复合材料喷管无明显烧蚀,热试车圆满成功.     

SiC/CVD SiC复合涂层的抗氧化及抗热震性能研究

为了提高C/SiC复合材料耐高温性能,采用泥浆浸渍裂解与真空化学气相沉积(CVD)在材料表面制备了SiC/CVD SiC复合涂层,通过XRD、SEM分析了涂层组成与结构;研究了复合涂层的高温抗氧化(700～1 500℃)和抗热震性能。结果表明,泥浆浸渍法制备的SiC涂层具有一定的封孔效果,可使材料开孔率下降,但高温抗氧化效果并不佳,1 200℃氧化10 min后材料弯曲强度保留率下降明显仅有86%。CVD SiC涂层结构致密,与SiC封孔涂层结合较好,在700～1 500℃具有较好的抗氧化效果,随着氧化温度的升高,氧化后涂层完好,表面O元素逐渐增加,材料失重率缓慢增加但不大于0.5%,且材料性能并未下降。涂层材料在1 200℃-10 min短时热震5次后材料弯曲强度保留率仍有95%以上,且未出现开裂、剥落等热震损伤。在1 200℃-30 min长时热震10次后,涂层材料基本被完全氧化,材料失去保护作用,弯曲强度下降至90%左右。     

液体火箭发动机复合材料喷管延伸段研究进展

喷管延伸段是液体火箭发动机的重要零部件,直接关系到发动机真空比冲性能的高低和其重量特性指标的优劣。近些年来,由于复合材料具有耐热、抗热震性能好、抗疲劳性能好、耐氧化腐蚀以及密度低等优点,复合材料在液体火箭发动机喷管延伸段上得到了越来越广泛的应用。仅在2018年下半年,国内就先后有高室压10 kN复合材料发动机完成某导弹武器飞行和5 000 N复合材料喷管延伸段发动机完成远征三号上面级飞行。通过查阅国内外文献,系统总结了国内外液体火箭发动机用复合材料喷管延伸段的研究及应用现状,综述了复合材料喷管延伸段预制体的一维缠绕成型、三维编织成型以及三维针刺成型技术及其气相法和液相法复合致密化技术,分析了国内的主要差距并提出了发展建议。     

小推力长时间工作固体火箭发动机初步试验研究

为了实现小推力固体火箭发动机的长时间工作,对4种采用复合推进剂端燃药柱的发动机进行设计和试车.工作时间分别达到75、105、145、235 s.试验结果表明,该发动机设计方案合理,采用这种C/C喉衬的复合结构喷管实现长时间工作是完全可行的.其中,75 S发动机的地面比冲为2 217 N·s/kg;145 s发动机的地面比冲为2 236 N·a/kg;235 s发动机的地面比冲为2 147 N·s/kg,性能测试结果基本满足发动机总体指标要求.此外,在试验过程中,还获得了C/C喉衬的烧蚀和绝热层的烧蚀炭化规律,为后续开展长时间工作固体火箭发动机研究提供了重要参考.     

激光选区熔化成形SiCP/AlSi10Mg复合材料工艺及性能研究

为研究激光选区熔化(SLM)成形技术制备SiC颗粒增强AlSi10Mg复合材料的成形机理,开展了SLM成形工艺参数(扫描间距、扫描速度)对致密度、机械性能等影响情况的研究。结果表明:所制备试样中SiC增强颗粒分布均匀,并与基体具有连续相容的冶金结合界面。当激光扫描速度从900 mm/s升高到2 100 mm/s时,在不同的扫描间距下,复合材料试样致密度均随之降低；当扫描间距在0.09～0.12 mm内变化时,在不同的扫描速度下,致密度变化趋势并不一致；在激光功率490 W、铺粉层厚0.04 mm、扫描间距0.12 mm、扫描速度900 mm/s时,制备的SiC颗粒增强AlSi10Mg复合材料试样得到最佳综合性能(相对密度99.1%,显微硬度198.7 HV0.2,抗拉强度341.9 MPa)；在该最佳工艺参数下,成功制备出复杂结构的薄壁零件。研究为SLM成形SiCP/AlSi10Mg复合材料在航空航天和空间领域的应用提供了理论基础和实验依据。     

低成本炭/炭复合材料的研究进展——化学液相沉积工艺

简述了制备炭/炭复合材料的新工艺——化学液相沉积(CLD)的沉积原理。利用工业燃油作为裂解炭前驱体,炭纤维毡作为增强体,通过工艺参数控制得到低成本炭/炭复合材料。CLD工艺所得材料沉积密度1.6 g/cm3,轴向压缩强度92 MPa,等离子烧蚀率0.06 mm/s,与CVD工艺所得材料相近。与常规CVD工艺相比,CLD工艺制备的C/C复合材料在制备时间上缩短了4/5,致密速率快5倍多。所得基体裂解炭为粗糙层与光滑层结构(大部分为粗糙层结构)。基体炭与炭纤维接合界面适中,且呈洋葱状分布,从而材料具有一定韧性。     

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.     

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。     

硅钼含量对C／C复合材料SiC-MoSi2涂层结构和高温抗氧化性能的影响

采用两步包埋法在C/C复合材料表面制备SiC-MoSi2抗氧化复合涂层,通过恒温氧化实验以及X射线衍射分析、扫描电镜观察,研究了包埋粉料中硅钼含量对复合涂层微观结构和高温抗氧化性能的影响。结果表明,随着包埋粉料中硅钼比的减小,涂层的厚度和致密性先增加后减小,硅钼质量比为6∶1时所制备的复合涂层具有较大的厚度和较为致密的结构,且MoSi2含量相对较高,体现出优良的抗氧化和抗热震性能,在1 500℃氧化87.3 h和经过9次1 500℃室温急冷急热后,带有该涂层的C/C试样失重仅为3.22%。穿透性裂纹的形成是长时间氧化后涂层失效的主要原因。     

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。     

C/C-ZrC-Cu复合材料的微观结构与抗烧蚀性能

采用低温反应熔渗工艺,以Zr_2Cu合金为熔渗金属,在密度为(1.25±0.05) g/cm~3的毡基C/C复合材料中引入ZrC+Cu组分,以提高其抗氧化烧蚀性能。采用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM),分析C/C-ZrC-Cu复合材料的相组成与微观结构,在氧-乙炔环境下考核材料的抗烧蚀性能。结果表明,C/C-ZrC-Cu复合材料形成了三维网络状(热解碳+ZrC+Cu)混合基体结构,热解碳可以有效防护高温金属熔体对碳纤维造成的损伤,Zr C和Cu的引入有效改善了抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀120 s后,线烧蚀率从毡基C/C复合材料的9.0×10~(-3)mm/s降低为-1.0×10~(-3)mm/s,主要归因于材料表面形成了相对完整的ZrO_2保护层和Cu的发汗冷却作用,对应的氧化烧蚀机制主要为Zr C、C等氧化引起的热氧化烧蚀和Cu熔化、挥发等引起的热物理烧蚀。     

基于烧蚀发动机的EPDM烧蚀性能试验研究

采用有2个流速试验段的烧蚀试验发动机在双基推进剂和含Al 10%复合推进剂燃气环境下对EPDM绝热材料进行烧蚀试验,分析了压强、燃气组分和速度等因素对EPDM绝热材料烧蚀特性和炭化层微观结构的影响规律。研究表明,EPDM绝热材料炭化率和质量烧蚀率随着燃气速度和燃烧室压强的增加而增大;在燃气温度、燃烧室压强和燃气速度接近的条件下,含Al 10%复合推进剂燃气环境下的炭化率是双基推进剂燃气环境下的2倍;EPDM绝热材料炭化层的结构呈现一种致密/疏松的多孔结构,表面存在一层致密层。烧蚀模型中炭化层物理模型可用非均质可渗透多孔介质描述。     

SiC对C/C-ZrC-SiC复合材料的微观形貌、烧蚀及热物理性能的影响

为了研究SiC及其前驱体聚碳硅烷对聚合物浸渍裂解法(PIP)制备的C/C-ZrC-SiC复合材料的影响,本文以聚碳硅烷和有机锆分别为SiC和ZrC的前驱体,利用PIP法制备了C/C-ZrC和C/C-ZrC-SiC两组复合材料,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对材料的微观结构进行分析,在氧乙炔环境下考核了复合材料的抗烧蚀性能,并选用热分析仪对两组材料的热物理性能进行对比分析。结果表明,聚碳硅烷因其较高的SiC产率可以提高C/C-ZrC-SiC复合材料中陶瓷基体的致密程度,其产物SiC改善了陶瓷基体与碳基体的界面结合状态。氧乙炔烧蚀120 s后,与C/C-ZrC相比,SiC的加入使C/C-ZrC-SiC表现出更优异的抗烧蚀性能,主要归功于烧蚀中心表面熔融ZrO_2保护层和烧蚀边缘致密SiO_2层的形成。此外,SiC有利于提高材料的导热性能,同时降低其热膨胀系数。