防热复合材料抗粒子侵蚀特性研究

研究了含钨Ｃ／Ｃ复合材料、细编穿刺Ｃ／Ｃ复合材料等防热材料抗粒子侵蚀性能及其形貌特征。针对试验结果,探讨了目前侵蚀性能试验存在的问题。指出不同种类的防热复合材料在不同试验条件下表现出不同的抗粒子侵蚀机理和形貌特征,以侵蚀系数Ｃｎ值表征不同防热材料抗粒子侵蚀能力的大小具有不直观性。     

轴棒法编织C/C复合材料的超声速火焰烧蚀性能

为了研究轴棒法编织、高压浸渍-碳化致密工艺(HPIC)及高温处理工艺制成的高密度的碳/碳(C/C)复合材料在火箭发动机中的烧蚀性能,使用气氧和煤油超声速(HVO)火焰对复合材料进行含铝工况烧蚀/侵蚀实验,烧蚀时间为30s;对比研究了复合材料在有、无含铝粒子侵蚀时烧蚀性能的差别;分别用扫描电镜、微CT和表面能谱分析了不同工况烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,在不同的烧蚀工况下,材料的表面粗糙度不同,微观形貌和烧蚀率也有很大差异;复合材料在无粒子侵蚀工况下的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0318mm/s和0.0319g/s,烧蚀表面呈竹笋状和毛絮状,热化学烧蚀起主导作用;有粒子侵蚀时的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0516mm/s和0.0353g/s,烧蚀表面呈钝竹笋状,纤维从根部断裂,热化学烧蚀和机械剥蚀同时起作用;在纤维和基体表面有Al2O3粒子沉积;含铝烧蚀/侵蚀的线烧蚀率是不含铝烧蚀的1.6倍,质量烧蚀率的1.1倍。在烧蚀区的内部,基体碳受热后开裂,而碳纤维与基体碳间的界面相受热后无明显变化。     

防热材料侵蚀试验结果和形貌分析

该文简要介绍几种防热材料,包括难熔金属类、石墨类、碳-碳复合材料、增强塑料及补强陶瓷,在含熔融氧化铝粒子喷流中的烧蚀-侵蚀实验结果。文中对实验材料的抗侵蚀性能作了初步评价,并对侵蚀后的微观形貌作了分析。     

固体火箭冲压发动机补燃室绝热层烧蚀试验方法

基于自主研发的氧-煤油烧蚀试验系统,发展了一种用于固体火箭冲压发动机补燃室热结构及材料烧蚀研究的试验方法。采用该方法开展了某型室温硫化硅橡胶基绝热材料的烧蚀试验,试验分别在含氧化铝粒子侵蚀和无粒子侵蚀条件下进行,并根据SEM图对比分析了粒子对材料表面微观形貌的侵蚀效应。结果表明:无粒子侵蚀条件下的试样经烧蚀后膨胀并分层,其平均线烧蚀率为-0.025mm/s;而粒子侵蚀条件下的试样平均线烧蚀率为1.901mm/s,试样中心区域的陶瓷层被粒子完全破坏,只留下极薄的热解层和裸露的碳纤维端部,碳纤维周围的基体主胶、颗粒填料及芳纶纤维均被高速焰流氧化剥离,充分说明粒子对绝热层材料的强剥蚀破坏效应;同时也验证了该方法能较好地模拟固冲发动机补燃室内的烧蚀热环境,可用于材料配方的筛选和耐烧蚀性能测试。      

我国碳纤维增强SiC基复合材料抗烧蚀改性进展研究

碳纤维增强SiC基复合材料(C/SiC)因具有耐高温、抗氧化、高比强和高比模等优点,被认为是代替高温合金作为热结构材料最有潜力的备选材料之一。由于碳纤维抗氧化性能差以及SiC基体在超高温烧蚀环境下氧化产物易挥发等问题,需要对C/SiC复合材料进行抗烧蚀改性。目前,针对C/SiC复合材料抗烧蚀改性的途径主要有优化碳纤维预制体结构和增加复合材料的致密度、采用超高温陶瓷改性SiC基体以及在复合材料表面制备抗烧蚀涂层。综述了国内关于C/SiC复合材料抗烧蚀改性的研究工作,同时提出了抗烧蚀改性制备工艺过程中面临的关键问题,为C/SiC复合材料抗烧蚀改性研究提供了思路。     

颗粒冲刷对C/C材料烧蚀影响的实验研究

为研究粒子直接撞击模式下C/C材料的烧蚀形貌及性能,丰富C/C材料烧蚀研究,开展了粒子侵蚀实验.利用扫描电镜和三维微观成像等测量手段进行微观烧蚀形貌的研究,结果表明颗粒冲刷条件下由于粒子的直接撞击,侵蚀区域出现小凹坑,但轴棒纤维突出,轴棒表面出现大小不同的凹坑,部分单丝从基体中断裂,形成微观锥形孔穴形貌,径向纤维束部分区域出现孔和开槽,整体形貌不再连续一致;未侵蚀部位的微观形貌和烧蚀试验中的喉部形貌一致,单丝呈现笋尖状.     

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。     

锆组元改性Cf / SiC 的制备及烧蚀性能

通过对Cf/Si C复合材料基体进行改性制备了碳纤维增韧的超高温陶瓷基复合材料,并研究了其结构形式及组分比例对高温抗氧化耐烧蚀性能的影响。电弧风洞的测试结果表明:经过超高温陶瓷改性的Cf/Si C复合材料的抗氧化耐烧蚀性能明显提高,其中陶瓷基体中Zr C含量约为40wt%时,高温抗氧化耐烧蚀性能提高尤为显著,其在600 s来流条件为2 400 K/Ma0.6/0.5 MPa的电弧风洞考核试验条件下,质量烧蚀率仅为7.37×10-5g/(cm2·s),有望满足超燃冲压发动机燃烧室的使用要求。     

溶胶-凝胶法制备Zr-C/ C 复合材料及其烧蚀性能

研究了一种在C/C复合材料中掺杂难熔金属化合物的新方法:溶胶-凝胶法。利用醋酸锆溶胶对密度为1.39和1.59 g/cm3的C/C复合材料进行浸渍,凝胶化后,再进行炭化处理,在C/C复合材料中引入了难熔金属化合物ZrC。经若干次处理后,两种C/C复合材料的密度最终分别达到1.88和1.86 g/cm3。利用电子背散射测试观察Zr在C/C复合材料中的分布,发现在C/C复合材料表面多次凝胶沉积形成一层Zr的涂层,而在材料的内部Zr的分布主要依赖于材料本身孔洞的分布以及纤维束间的孔隙。对电弧烧蚀后的Zr-C/C复合材料进行表观形貌观察,发现在材料表面形成均匀的ZrO2膜,将基体与氧气隔绝,从而减缓材料的烧蚀速率。     

C/ C-Cu 复合材料的烧蚀性能

以聚丙烯腈预氧化纤维针刺毡为预制体,经碳化后采用CVI和树脂浸渍(IR)工艺制备出不同密度的多孔C/C预制件,然后采用气体压力浸渗方法制备了C/C-Cu复合材料.采用氢氧(H2-O2)焰对C/C-Cu的烧蚀性能进行测试考核.结果表明:以密度为0.99 g/cm3的C/C预制件制备出的C/C-Cu复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均小于密度为1.9 g/cm3的C/C复合材料,其烧蚀性能良好;在烧蚀过程中C/C-Cu的铜基体的熔化吸收了大量的热量,降低了材料的表面温度,提高了材料的抗烧蚀性能;烧蚀机制主要是热氧化烧蚀和机械冲刷的综合作用.     

ZrB2 改性C/ C-SiC 复合材料性能研究

采用碳纤维复合网胎针刺预制体,通过溶液浸渍工艺制备了碳纤维增强C/C-SiC和C/C-SiC-ZrB2陶瓷基复合材料,并对材料的力学、热物理和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度分别为199、274和19.3 MPa,各性能均低于对应的针刺C/C-SiC复合材料。针刺C/C-SiC-ZrB2材料与针刺C/C-SiC材料相比,热导率得到大幅度提高,而线胀系数略微有所降低。2 500 K、600 s风洞试验后,针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料表现出良好的抗氧化烧蚀性能,质量烧蚀率约0.4×10-4g/s。     

SiC 抗氧化机制电弧加热试验

介绍了在电弧加热器上进行的SiC的抗氧化机制研究试验,根据SiC的主动、被动氧化机制,调试出相应试验条件并进行了模型试验.结果表明,SiC在一定的氧分压环境中,表面温度低于转捩温度时,会在表面形成SiO2薄膜,阻止氧向防热层内部扩散,降低了碳同氧的反应程度,阻止了基体碳的烧蚀;当表面温度高于转捩温度时材料发生主动氧化,材料表面发生烧蚀.     

基于TDLAS的电弧风洞流场Cu组分监测

电弧风洞是进行防热材料和防热结构考核与研究的必要设备，也是高超声速地面试验能力的重要组成部分，但电弧加热器的电极烧蚀会导致较为严重的流场污染，影响试验准确性。利用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS），通过对20 MW级片式电弧加热器内部流场中Cu原子809.25 nm跃迁谱线进行实时测量，研究了电弧风洞流场中Cu污染情况和电极烧蚀情况。在获得Cu原子该谱线低能态数密度基础上，估算了运行功率分别在7.3、8.7、10.0和11.7 MW时流场中Cu组分（原子态和离子态）总数密度平均为10.6×10¹³、11.2×10¹³、11.7×10¹³和16.4×10¹³ cm^-3，同时得到平均电极烧蚀率约为1.65×10^-5 g/C。试验还发现，TDLAS信号在高温流场建立阶段起伏变化明显，并且在功率跃变时也会出现突然增强而后迅速回落的现象，表明电弧抖动会使电极烧蚀严重加剧。     

石英纤维增强天线罩烧蚀应力耦合试验及仿真分析

介绍了新的一种针对纤维增强复合材料天线罩的边烧蚀边加载的热力耦合试验方法,该试验方
法通过燃气流发动机及应力载荷加载装置实现了天线罩烧蚀状态下的应力考核,针对此试验方法开展了仿真
模拟计算,通过仿真数据与试验测试数据对比验证了烧蚀应力耦合仿真计算方法的正确性,从试验和理论分析
两个角度反映了纤维增强结构天线罩在烧蚀状态下的强度,为天线罩烧蚀应力耦合试验与纤维增强复合材料
的仿真计算开辟了一条新途径。     

高浓度颗粒冲刷条件下高硅氧酚醛烧蚀实验

利用高过载模拟烧蚀实验发动机，开展了高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料烧蚀机理的实验研究。研究表明：高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料的烧蚀比常规条件下要严重的多，其机理主要是高浓度颗粒流冲刷对炭化层具有强烈的剥蚀效应；相同条件下高硅氧酚醛材料抗颗粒流冲刷的性能明显比石棉酚醛模压材料差；增强绝热材料炭化层的致密性和韧性是提高绝热材料抗颗粒冲刷能力的有效途径。提出了建立高浓度颗粒冲刷条件下绝热层烧蚀建模的思路，为高过载条件下热防护研究提供了理论基础。     

超声速湍流流动中平板-楔模型分离、传热和烧蚀试验研究

本研究之目的是为了模拟可控有升力飞行器周围的加热和压力场,研究受热表面的烧蚀现象,以便发展地面的实验能力。在电弧加热器上,利用超声速湍流平板技术,进行控制翼模型分离、传热和烧蚀实验。结果表明,由于翼角前有一条横缝,分离效应减弱,导致产生分离的最小翼角增大。由于分离流动影响,在翼上及其周围压力和热流升高,烧蚀速度大大增加。本文给出了有关的相关公式。     

碳/酚醛复合材料烧蚀性能的实验研究

总结了电弧加热器湍流导管试验装置上对碳／酚醛复合材料的烧蚀试验结果，利用多元线性回归方法。拟合出烧蚀材料的有效烧蚀焓与冷壁热流密度、壁面压力的关联式。在一定热流、压力范围内可以很方便地计算出碳／酚醛复合材料的有效烧蚀焓和质量烧蚀率。     

导弹发射筒防热材料气动热冲击试验

利用电弧加热器湍流导管试验装置模拟导弹发射过程中发射筒内壁防热材料所经受的热环境,对导弹发射筒内壁所使用的三种不同防热材料进行了高压、高温气动热冲击试验研究.结果表明:橡胶材料综合性能优于陶瓷编织材料和玻璃布编制材料,更适合于作为发射筒内壁防热材料使用.