基体碳结构对轴间密封环用C/C复合材料摩擦磨损特性的影响

 在m²000型摩擦实验机上,在不同载荷作用下,对4种具有不同偏光结构的C/C复合材料与40Cr钢配副进行环—块滑动摩擦实验。结果表明:相同载荷下,具有粗糙层（RL）基体碳结构试样的摩擦系数都最高,且随载荷的增加在0.151～0.165之间波动。而光滑层（SL）碳结构的试样的摩擦系数最低,随载荷增加在0.105～0.117之间缓慢降低。随时间延长,RL结构的试样在高载荷下摩擦系数下降,SL结构的试样摩擦系数除60N外略有上升,树脂碳增密的试样摩擦系数均下降,而树脂碳+SL碳的试样仅80N、150N的基本保持不变。RL结构的试样体积磨损量最大,最大值为150N时的1 61mm³,而SL+树脂碳结构的试样体积磨损量最小,在0.391～0.420mm³之间。SEM观察表明:随载荷增加,RL结构的试样摩擦表面形貌仍很完整、光滑,而浸渍增密的试样纤维拔出现象加剧,SL+树脂碳结构的试样摩擦表面逐渐完整。     

碳—酚醛烧蚀和热响应的理论分析与工程计算

本文分析了碳-酚醛的烧蚀机理和内部热响应特性,讨论了碳纤维的氧化、升华和碳-氮反应。指出热解气体注入边界层的作用主要是增加热阻塞效应和改变壁面组元浓度。热解气体流过材料碳层,起着降低碳层内部温度的作用。基于烧蚀机理和热响应特性的分析,给出了碳-酚醛烧蚀和内部热响应的理论计算方法,计算结果分别与固定状态和模拟再入轨道的变状态的电弧加热器的烧蚀和内部温度的试验结果作了比较,两者符合甚好。     

半潜入喷管收敛段碳/酚醛材料烧蚀特性

采用流固热耦合数值方法,以及Abaqus的ALE（arbitrary Lagrangian-Eulerian,任意拉格朗日欧拉方法）自适应网格技术,对位于半潜入喷管收敛段的碳/酚醛的烧蚀现象进行了预估,与试验结果进行了对比分析。结果表明:在收敛段,Al/Al₂O₃液滴或颗粒对材料的传热烧蚀起到了关键作用,当气流与材料表面平行时,液滴或颗粒的影响很小;从碳/酚醛热分解角度出发,基于完全碳化即被剥蚀的假设,基本能够预估碳/酚醛材料的烧蚀特征,烧蚀速率大约为0.3 mm/s;后效碳化对材料碳化过程的影响明显,发动机工作期间,分解层的厚度大约为2.0 mm,考虑后效作用,分解层厚度可能会增加至4.0 mm左右;与喉衬接触的材料区域,喉衬的传热会明显加剧材料的碳化过程。      

碳／碳化硅复合材料摩擦磨损性能分析

采用化学气相渗透法制备了碳纤维增强碳化硅(C/C SiC)陶瓷基复合材料,得到不同密度和组分含量的C/C SiC刹车盘试样。对C/C SiC复合材料进行了摩擦磨损性能测试,平均摩擦系数达到 0 23,摩擦稳定性达到0 43,线性磨损率为 9 3μm/次·面,质量磨损率为 2 6mg/次·面。当C/C SiC复合材料的密度增大 (1 6g·cm-3→2 2g·cm-3 ),碳含量增大(35%→55% ),摩擦系数和稳定性提高(约 70% ),且摩擦系数随制动次数增加的波动幅度减小;SiC含量升高则反之。C/C SiC复合材料经过多次刹停测试,摩擦系数对制动次数不敏感,表现出良好的摩擦稳定性。经过连续刹车试验,摩擦系数不随表面的起始和最终温度升高而衰退,材料尚无热衰竭趋势。对C/C SiC刹车盘试样的磨损表面形貌及缺陷进行了观察,发现表面磨损质量在航标允许范围内。     

碳/碳复合材料刹车盘刹车性能研究

论述了碳/碳复合材料刹车盘的刹车特性。在不同的能量、刹车压力、使用环境条件下的全尺寸碳/碳复合材料刹车盘试验结果表明,碳/碳复合材料刹车盘刹车性能随刹车能量、刹车压力的提高,环境湿度的增大而衰减。碳刹车盘的静摩擦系数比钢刹车低得多(接近50％),随着刹车盘温度的升高,其静摩擦系数降低。     

预制体结构和热解碳组织对二维碳/碳复合材料热物理性能影响

制备了针刺毡、短纤维树脂模压、碳布叠层 3种预制体 ,其碳纤维体积含量均为 4 0 %。采用化学气相沉积工艺制备了 4种C/C复合材料 :针刺毡 粗糙体热解碳 (具有两种定向热解碳组织 )、短纤维 树脂和热解碳、碳布 光滑体热解碳复合材料 ,对其进行 2 5 0 0℃保温 2h的高温热处理。在 0～ 90 0℃ ,研究了预制体结构和热解碳组织对二维C/C复合材料的热膨胀系数、比热容、热扩散率、导热系数等热物理性能影响。研究发现 :预制体和热解碳结构对C/C复合材料热物理性能有强烈影响。 0～ 90 0℃ ,4种材料的热膨胀系数都非常小 ,与温度近似的成线性关系 ,且几乎具有相同的斜率 ,在一定条件下 ,其值呈现负热膨胀性质 ;0～ 90 0℃ ,4种材料都有高的导热系数 ,但作为温度的函数 ,其值随预制体结构、热解碳组织和传热方向而变化 ,x y向的导热系数 (2 5 .6～1 74W / (m·℃ ) )比z向的 (3.5～ 5 0W / (m·℃ ) )高几倍     

三维编织碳/酚醛复合材料高温热响应的数值计算

为了准确掌握高温条件下防热复合材料的热响应行为,对基体和纤维束分开建模,利用能量和质量守恒方程,并考虑热解过程中酚醛基体密度和材料热属性的变化,计算高温条件下三维编织碳/酚醛复合材料的热响应行为,预测复合材料温度场和热解度的分布规律,并给出质量损失率、炭层生成位置以及厚度的变化情况。结果表明:加热过程中,三维编织碳/酚醛复合材料的温度分布极不均匀,在加热面上基体温度明显高于纤维束温度,而在材料内部竖向纤维束温度反而高于基体温度;加热开始时炭层没有立刻产生,而是需要一段时间的过渡,在此过渡时间内炭层平均厚度为0。     

中间相碳微球模压高密高强碳/石墨材料的SEM研究

用中间相碳微球(MCMB)做原料，冷模压成型后再经过热处理后得到高密高强模压碳/石墨材料，考察了不同热处理温度对制品的力学性能的影响以及微观结构的变化。实验结果表明，与常规方法制备的碳/石墨材料相比，经过热处理的MCMB模压制品具有更高的力学性能。1300℃热处理后MCMB模压制品的压缩强度可以达到240．8MPa，弯曲强度达到86．1MPa。微观结构分析表明，经过900℃热处理后的制品具有极为密实的结构，虽然在更高的温度热处理后，制品表面存在着一些小孔和微裂纹，但相对于常规碳/石墨材料而言，它们是非常微小的。另外，从高倍数SEM分析表明，MCMB是比较容易石墨化的碳材料原料。     

碳/酚醛结构材料的研究

研制出的碳布增强硼酚醛材料力学性能优异,剪切强度高达34.7MPa,压缩强度达270MPa,比一般碳/钡酚材料提高30%～70%;接近柔性接头非金属增强件碳/环氧材料水平,达到柔性接头非金属增强件材料的指标要求,有望替代现有碳/环氧材料。由于抗烧蚀性能优于碳/环氧材料,使非金属增强件热防护能力提高。     

碳/碳复合材料导热性能的研究

对碳/碳复合材料在不同温度下的导热性能进行了研究。研究发现了碳/碳复合材料的导热机理介于金属材料和非金属材料之间,既有声子导热,又有电子导热。在实验温度范围内,导热系数随温度升高而增大。随碳/碳复合材料石墨化程度的增大,晶体微观结构渐趋完整,石墨片层的有序度增加,材料的导热性能增强。对于高密度的碳/碳复合材料,因为晶粒间联通状态良好,热传导载体运动的路径畅通,所以导热系数高。碳纤维及围绕纤维生长的热解碳是热传导的有效通道,所以沿纤维增强方向的导热系数高。     

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。     

碳纤维增强树脂基摩擦材料摩擦磨损性能

为提高树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性,改善其抗热衰退性能。以碳纤维作为增强纤维,采用热压成型工艺制备碳纤维增强树脂基摩擦材料;用XD-MSM型定速摩擦试验机测定摩擦磨损性能,研究了不同含量碳纤维增强对树脂基摩擦材料摩擦磨损性能的影响;利用VK-X200三维激光扫描显微镜观察了摩擦材料磨损后表面的微观形貌并探讨其磨损机理。结果表明,碳纤维增强树脂基摩擦材料的硬度、压缩强度和剪切强度均得到提高,并随碳纤维含量的增加而逐渐增大;碳纤维增强作用提高了树脂基摩擦材料的耐磨性和摩擦因数的稳定性,改变了树脂基摩擦材料的摩擦磨损形式;碳纤维含量为4wt%的增强树脂基摩擦材料摩擦因数稳定性较高,抗热衰退性能较好,磨损机制主要为疲劳磨损。     

酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能

为考察纳米孔径的酚醛树脂基泡沫碳材料的烧蚀与隔热性能,以酚醛树脂为碳源,环戊烷为发泡剂,吐温80为表面活性剂,对甲苯磺酸为固化剂,采用发泡固化碳化工艺制备了低密度泡沫碳材料。所制备的泡沫碳材料密度为0. 3 g/cm^3,压缩强度达到了11. 7 MPa。采用LFA457激光导热仪考察了泡沫碳材料在不同温度下(25、200、400、600℃)的导热性能,25℃下热导率为0. 141 W/(m·K),600℃下热导率为0. 344 W/(m·K);通过氧乙炔试验(30 s/60 s)对泡沫碳材料与C/C复合材料在同样的气流条件下隔热性能进行了比较,在材料正面烧蚀峰值温度泡沫碳材料比C/C复合材料高出约400℃的情况下,背面峰值温度比C/C复合材料仍低出150℃;通过氧乙炔试验考察泡沫碳材料的抗烧蚀性能,氧乙炔烧蚀60 s的线烧蚀率为0. 031 mm/s。试验结果证明低密度的泡沫碳材料同时具备优异的隔热与高温抗烧蚀性能。     

模压石英/ 酚醛复合材料的力学和热物理性能

采用力学、热物理等测试方法,研究模压成型石英/酚醛复合材料制品性能,并与模压成型高硅氧/酚醛复合材料制品进行了对比分析。结果表明,模压石英/酚醛复合材料具有较好的力学性能,而且其线胀系数是模压高硅氧/酚醛复合材料的一半,在中低焓值、较低热流、较长烧蚀时间条件下具有很小的热变形。     

碳/碳复合材料用基体先驱体研究进展

综述了碳／碳复合材料用基体先驱体如沥青、酚醛树脂、邻苯二甲腈树脂和炔类树脂的合成及改性研究。为开发新一代低成本、高性能碳／碳复合材料提供了方向。     

固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性分析

为研究固体火箭发动机喉衬用轴编C/C复合材料的细观热结构特性,以组分材料之间界面分析为基础,完成热结构参数的实验测定与基于代表性体积单元的等效热物理参数的预测,得出轴编C/C复合材料的等效热膨胀系数与等效热导率系数。分析表明:基于代表性体积单元程序温度周期性边界条件的应用,可以较精确预测复合材料等效热膨胀系数和等效热传导率;得出了组分材料界面相对等效热结构参数的影响,组分材料界面相采用一定厚度的单元模拟更加接近实验数据;讨论了等效热膨胀系数和等效热导率随编织参数的变化规律。     

连铸连轧镁合金AZ41微观结构与摩擦磨损性能

为研究铸轧镁合金AZ41板材的摩擦磨损性能,通过连铸连轧制备出镁合金AZ41板材,并观察其铸轧态和热处理态的微观组织结构特点。研究了滑动干摩擦条件下滑动速度和载荷对AZ41镁合金板材摩擦磨损性能的影响,采用扫描电镜观察磨损表面形貌,探讨了其磨损机制,并利用有限元方法模拟了其磨损时的应力分布。结果表明：制备的镁合金AZ41在（1012）上出现了大量压缩孪晶,经热处理后晶粒变为等轴晶;摩擦系数随着转速的增加而升高,在一定范围内随载荷的增加而降低;磨损量随着载荷和转速的增加而增加,低载时磨损机制为磨粒磨损,伴有氧化磨损的发生,高载时其磨损以粘着磨损为主。     

发动机支点柔性圆周炭石墨密封材料PV值试验

根据高空长航时航空发动机支点柔性圆周炭石墨密封材料的实际服役工况,从高摩擦线速度（60～130 m/s）、轻载（30～400 kPa）和温度（25～600 ℃）的角度出发,自主设计动态试验测试台,评测国内部分现役机型用炭石墨密封材料的PV值,并通过装机论证PV值试验的可行性。试验结果表明:采用80 m/s恒速,逐级增加载荷测得XX1#-1、XX2#-1、XX3#-1、XX4#-1和XX5#-1的许用[PV]值分别为4.8、5.9、6.9、9.1、12.3 MPa·m/s。采用300 kPa定载,逐级增加线速度测得XX2#-2、XX3#-2、XX4#-2和XX5#-2的许用[PV]值分别为6.0、8.0、10.0、12.0 MPa·m/s。经某研究所装机论证发现当试验样的许用[PV]值小于发动机的许用[PV]值时,易出现异常磨损,并伴随燃气泄漏;当试验样的许用[PV]值大于发动机的许用[PV]值时,能为发动机支点炭石墨密封材料选型提供材料特性数据,为发动机炭石墨密封材料的研究提供鉴别方法。此外,该试验方法将大大节约发动机用石墨封严材料选型的时间成本、人力成本和上机论证经费的投入成本。      

超低温用碳纤维增强树脂基复合材料的性能研究

根据低温液氧贮箱的缠绕工艺与特殊使用环境要求,分别针对3种自制的环氧树脂体系进行系统的工艺特性与低温抗裂纹性能研究。在此基础上以T700纤维复合材料为研究对象,详细考察其在超低温和高低温循环条件下的力学性能稳定性,并对其液氧相容性进行测试。最终以小型碳纤维复合材料筒体进行综合性能验证。研究结果表明,SFC-3环氧树脂具有较好的缠绕工艺特性,且在超低温和高低温交变条件下具有优异的抗裂纹特性。T700/SFC-3环氧复合材料分别经过高低温交变和超低温处理后,拉伸性能保留率在92%以上,且该复合材料具有良好的液氧相容性。T700/SFC-3环氧树脂复合材料筒体具有极好的耐高低温稳定性和气密性。     

4116航天润滑油摩擦特性的影响因素

采用球盘试验机测定了4116航天润滑油在不同工况下的摩擦因数,尤其成功实现了高低温环境下的测试.应用正交试验设计方法,研究了滚动速度、滑动速度、最大工作压力和入口油温4个因素对润滑油摩擦特性的影响,并绘出各因素对摩擦因数的影响曲线.研究结果表明:滑动速度和滚动速度对摩擦因数有显著影响,入口油温和最大工作压力对摩擦因数影响不显著.摩擦因数随着滑动速度的增加而增加,但是增加的幅度随滑动速度的增加而逐渐减小;随着滚动速度的增加,摩擦因数迅速减小,当滚速高于20m/s时趋于稳定;入口油温低于0℃时,其对摩擦因数有较大影响;随最大工作压力的增加摩擦因数缓慢增加.