固体冲压发动机喷管用C/C-SiC复合材料

采用"化学气相渗透+先驱体浸渍裂解"(CVI+PIP)混合工艺制备固体冲压发动机用C/C-SiC复合材料喷管内层,综合考查复合材料的微观结构、弯曲性能和抗烧蚀性能以及固冲发动机C/C-SiC喷管内层水压和点火实验。结果表明:复合材料的弯曲强度达到197 MPa,且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式;复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,氧化烧蚀200 s后线烧蚀率仅为0.0063 mm·s-1;研制的C/C-SiC复合材料构件的水压爆破压强为6.5 MPa,表明构件具有良好的整体承载能力;C/C-SiC复合材料喷管内层高温综合性能通过了固体冲压发动机点火实验考核。     

CVD-SiC 涂层的C/ C-SiC 复合材料的抗烧蚀性能

采用CVD法,1 050℃在三维针刺C/C-SiC复合材料表面制备SiC涂层,研究稀释气体与载气流量比分别为4∶1和2∶1制备条件下涂层的晶体结构、表面和断面的微观形貌,对比了涂层前后C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能.结果表明:稀释气体流量降低其制备的SiC涂层更加平整致密,与基体结合程度更好,沉积产物均为单一的β-SiC结晶相.在600 s的氧化烧蚀下,两种流量比条件下制备CVD-SiC涂层的C/C-SiC复合材料的线烧蚀率比未涂层的分别降低34％和50％,质量烧蚀率分别降低70％和75％,抗氧化烧蚀性能明显提高.     

先驱体转化法制备2D C/SiC-ZrC复合材料中ZrC含量对材料结构性能影响研究

针对高超音速飞行器、可重复使用运载器和下一代火箭发动机等超高温使用环境的工况要求,提出在2D C/SiC复合材料中引入耐超高温ZrC填料.采用先驱体转化法制备了不同ZrC含量的2D C/SiC-ZrC新型复合材料,考察了ZrC含量对材料力学性能、抗烧蚀性能和组成结构的影响.结果表明,材料的弯曲强度和弯曲模量随着ZrC含量的增加有一定程度的下降,材料的抗烧蚀性能明显提高,其中ZrC含量最高(33.3vol%)的试样S-50弯曲强度和弯曲模量均最低,分别为192.1MPa和27.5GPa;经氧乙炔焰烧蚀考核60s后,表面温度达到2123℃,试样表现出最低的烧蚀率,线烧蚀率为0.004mm/s,质量烧蚀率为0.006g/s.     

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。     

三维针刺C/SiC在等离子焰中的烧蚀行为

采用CVI制备了三维针刺C/SiC复合材料,利用等离子烧蚀对复合材料的烧蚀性能进行了分析.结果表明:复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为131.3μm/s和74.2 g/s,对应的标准偏差分别为4.9μm/s和4.7 mg/s.微结构观察显示烧蚀表面不同区域其烧蚀机理不同,烧蚀中心以升华烧蚀为主,过渡区主要是升华烧蚀和等离子流的剪切剥蚀为主,而烧蚀边缘则以热氧化为主.     

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。     

C/C-SiC复合材料两种制备工艺及材料性能

以碳纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法(CVI)制备出低密度碳/碳复合材料,再分别采用液相硅渗透工艺(LSI)制备出密度为2.1g/cm3的碳/碳-碳化硅复合材料(C/C-SiC),及先驱体转化工艺(PIP)制备出密度为1.9g/cm3的C/C-SiC.对2种工艺制备的C/C-SiC力学性能进行了比较,结果表明:PIP工艺制备的C/C-SiC弯曲强度为287MPa,明显高于LSI工艺制备的弯曲强度155MPa.     

纤维热处理对C/C-SiC复合材料断裂韧度的影响

对未处理和不同温度(600℃,900℃,1200℃和1500℃)热处理的纤维增强树脂基复合材料(CFRP)进行裂解,获得不同微裂纹和孔隙分布的C/C预制体,用液硅熔渗法(LSI)制备C/C-SiC复合材料。采用单边切口梁法(SENB)测试C/C-SiC复合材料的断裂韧度,分析纤维热处理温度对C/C-SiC复合材料微观形貌和断裂韧度的影响机理。结果表明:对碳纤维进行热处理能够有效改变C/C预制体的裂纹和孔隙分布,通过液Si熔渗可以制备不同微观组织结构的C/C-SiC复合材料,经热处理纤维增强的C/C-SiC复合材料中SiC基体增多,包裹在C纤维表面且分布较为均匀,同时C/C-SiC复合材料的断裂韧度提高,经1200℃热处理的碳纤维增强的C/C-SiC复合材料断裂韧度达到7.9MPa·m1/2,与未处理的相比,断裂韧度提高了53%。     

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。     

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。     

高导热C/ C 复合材料的发展现状

高导热C/ C 复合材料具有高热导率、低密度、低热胀系数和高温下高强度等性能,成为近年来最
具发展前景的散热材料之一。本文综述了国内外高导热C/ C 复合材料的发展现状,分析了C/ C 复合材料的热
物理性能及影响其热导率的因素,介绍了C/ C 复合材料的导热机理、碳纤维、基体炭的导热性能,以及高导热
C/ C 复合材料的制备和改性等。     

C/C-SiC复合材料致密度影响因素

利用先驱体转化法制备C/C-SiC复合材料,对试样进行微观结构分析和性能测试,研究渗硅温度、保温时间、真空度和裂解周期对C/C-SiC复合材料致密度的影响。结果表明:随着渗硅温度的升高,材料的致密度呈先加速升高后快速下降趋势;随着保温时间的延长,材料的致密度先快速升高,保持一段时间稳定后再缓慢降低;随着烧结真空度的提高,材料的致密度加速升高;随着裂解周期的增加,材料的致密度不断增大,但增速逐步降低。经过11周期的“浸渍-固化-裂解”过程后,所制备的C/C-SiC复合材料获得最大密度2.09 g/cm3、最小孔隙率7.6%,其综合力学性能最为优异:弯曲强度468 MPa、拉伸强度242 MPa、断裂韧度19.6 MPa?m1/2、维氏硬度17.2 GPa。     

碳布铺层方式对C/ C-SiC 薄壁喉衬性能的影响

通过CVI+PIP 制备了准三维针刺C/ C-SiC 薄壁喉衬,预制体碳布铺层方式分别采用与喉衬内型 面形状相同的仿形铺层以及与喉衬入口端角度相同30°铺层。研究了两种铺层方式对最终构件层间弯曲性 能、整体承压性能以及抗烧蚀抗冲刷的影响。结果表明,构件的弯曲强度分别为205 和152 MPa;水压爆破压 力分别为6. 5 和4. 9 MPa。用与材料表面夹角为30°的氧乙炔气流考查材料的抗烧蚀及冲刷性能,同角度铺层 成型材料抗冲刷能力明显较好,200 s 其线烧蚀率为仿形铺层成型材料的70%。     

微量Al 掺杂对2D C/ SiC 性能的影响

以二维编织碳纤维碳布为预制体,采用聚铝碳硅烷(PACS)为聚合物前驱体,应用化学气相渗透(CVI)结合聚合物浸渗-裂解(PIP)工艺制备微量Al掺杂2D C/SiC复合材料。研究微量Al掺杂对C/SiC微观结构、力学、热膨胀和氧-乙炔焰烧蚀性能的影响。结果表明:掺杂微量Al未改变C/SiC的微观结构和热膨胀性能,也未降低其韧性和强度;但微量Al掺杂提高了C/SiC的抗烧蚀性能,含微量Al的SiC氧化形成微量Al熔于SiO2的固熔体,微量Al提高了SiO2的黏度和致密度,减小SiO2挥发,较未掺杂Al的C/SiC相比,线烧蚀率降低了26%。     

胶含量对CF/BF复合材料性能的影响

制备了碳纤维/玄武岩纤维(CF/BF)增强酚醛树脂复合材料,研究了复合材料层合板不同胶含量对其层间剪切强度、热传导和耐烧蚀性能的影响。结果表明:CF/BF复合材料,在胶的体积分数为35%时,复合材料经纬向层间剪切强度达到最大值21和20 MPa;在胶的体积分数为39.5%处,热导率和线烧蚀率出现最低值0.366 W/(m.K)和87μm/s。CF/BF混杂纤维复合材料性能符合混杂纤维复合材料性能混杂效应规律。     

空间推进系统用铝内衬PBO 纤维缠绕高压气瓶的研制

以空间推进系统用高压复合材料气瓶的开发为背景,开展了PBO纤维的应用研究。分别对PBO/D-3和PBO/D-8复合材料力学性能进行了测试,获得了性能最佳的复合材料配方体系。在此基础上,将PBO复合材料用于空间推进系统用铝内衬复合材料高压气瓶,开展了2.4 L铝内衬高压气瓶的研制。结果表明:PBO(HM)/D-8复合材料力学性能最佳,其拉伸强度与NOL层间剪切强度分别高达1 397 MPa和20.2MPa,采用其缠绕的复合材料气瓶结构系数高达64.5 km。     

3D针刺C/SiC复合材料螺栓的低成本制备及力学性能

以三维针刺碳毡作为预制体,通过化学气相渗透(CVI)工艺,制备了密度约为1.50～1.60 g/cm3的半成品C/SiC复合材料板材,然后采用专用磨具在半成品复合材料板上按照指定的取样方式切割出螺杆与头部毛坯,并分别对螺杆和头部攻丝,将两者装配在一起形成半成品螺栓,对半成品螺栓CVI致密化并在其表面制备SiC抗氧化涂层,制备出低成本的3D针刺C/SiC复合材料螺栓.提出了C/SiC复合材料螺栓力学性能的测试方法,通过自行设计的夹具,对所制备螺栓的力学性能进行了测试表征,并利用扫描电子显微镜(SEM),对C/SiC复合材料螺栓的拉伸断口形貌进行了观测.结果表明,所制备的螺栓具有较好的抗拉和抗剪能力,室温下螺栓的抗拉强度和剪切强度分别为151.7 MPa和85.6 MPa.