国外头部防热材料研制动向和碳—碳材料研究近况

美国战略核武器“民兵—Ⅲ”拟用MK12A取代MK12,MK12A头部防热材料是碳—碳复合材料。美国海军“三叉戟”的机动弹头MK500,也很可能系采用碳—碳材料作为头部防热材料。美国陆军认为反弹道导弹鼻锥经受极为苛刻严历的条件,碳—碳材料是可能满足这些条件的唯一材料。从1958年发现碳—碳材料以来,它的研制和应用已经经历了三个阶段,取得了极大进展。第一代碳—碳材料系三向正交细编碳—碳材料,增强剂大多采用高模石墨纤维,纤维排列推荐2—2—1和2—2—3,复合工艺发展趋向是先用化学气相沉积,然后浸渍、碳化、石墨化,浸渍剂趋向于用沥青。三向正交细编碳—碳材料已经克服了过去碳—碳材料所存在的严重各向异性问题。与七十年代初期3DMod3相比,机械性能与烧蚀性能等都有了显著提高与改进。     

细编穿刺碳／碳复合材料超高温氧化机理研究

研究了细编穿刺碳／碳复合材料高达３０００℃下的氧化与烧蚀。根据ＸＰＳ,ＳＥＭ和ＸＲＤ对烧蚀产物的微观分析建立了相应的非平衡烧蚀模型,提出了碳氧化的微观机理,探讨了扩散控制和反应动力控制对Ｃ／Ｃ复合材料氧化与烧蚀规律的影响     

碳-碳材料微观结构和烧蚀剥蚀过程的初步分析

碳-碳复合材料具有良好的烧蚀性能和机械性能,以及较好的热物理性能,是战略核武器头部防热材料中极有希望的一种材料。但是它存在“剥蚀”问题,“剥蚀”是影响碳-碳性能的技术关键之一。本文概要地回顾了国外对碳基防热材料的烧蚀剥蚀和破坏的论述。报导了碳-碳材料当前性能,并与国外典型碳一碳材料进行了对比。通过电子扫描显微镜,研究了碳-碳材料的微观结构,重点对三向2-2-2和 Z 向增强毡碳-碳烧蚀后的试样进行了研究、观察和分析。其中包括:基质碳的微观结构和特点;裂缝在基质碳中的取向及其发展;基质碳在烧蚀过程中的变化和破坏;Z 向和 X—Y 向纤维束的结构形态和烧蚀以及“球形碳”和它的影响因素等。提出了对上述材料烧蚀剥蚀过程和热裂破坏特性的初步分析。在此基础上,讨论了研究改进碳-碳材料工艺的方向与措施。     

三向碳/碳材料转捩压力的测量

为评估三向碳/碳材料的烧蚀性能，在北京空气动力研究所研制的FD—04F电弧加热器上对三向碳／碳材料进行了滑行试验，测出了三向碳／碳材料的转接压力。试验结果表明：滑行试验在测量转接压力方面是有效的，并给出了三向碳／碳模型的转授压力数据和最终外形形状。     

问与答

Bhjkhhk 问:1、碳/碳复合材料在航空航天领域有重要作用,它一般是怎样制备的?答:这是一种以碳石墨纤维或其织物为增强材料,以热解碳、沉积碳或浸渍碳为基体的碳基复合材料。它基本上是一种防热功能材料,按照防热原理可分为烧蚀防热材料和热结构材料两大类。烧蚀碳/碳是一种升华型烧蚀材料,利用材料在高温下升华吸热和辐射散热,并能保持烧蚀外形,可用于远程导弹端头和固体火箭发动机喉衬、喷管。主要包括整体碳毡/碳材料和三向碳/碳防热材料等。热结构碳/碳是一     

喉衬热环境与碳/碳复合材料的烧蚀

在分析固体火箭发动机喷管喉衬热环境与碳/碳复合材料烧蚀行为的基础上，从材料的角度讨论了影响碳/碳复合材料烧蚀性能的因素。结果表明：碳/碳复合材料的烧蚀是受喉衬复杂燃气环境众多因素共同作用的结果，主要的烧蚀效应有碳的升华、表面异相化学反应以及机械侵蚀；影响碳／碳复合材料烧蚀性能的材料本体特性有纤维特性、预制件结构、材料密度、孔隙、基体碳的种类、石墨化度、杂质，其中部分因素存在交互影响的作用。     

碳化制度及催化剂对三向碳—碳材料基体碳某些性能影响的初步研究

前言三向增强碳-碳复合材料是一种有着抗烧蚀,机械性能、物理性能好等很多优良特性的高级导弹再入端头材料。在三向增强碳-碳复合材料的研究中,普遍的问题是线烧蚀率大、强度低、断裂应变值小、工艺效率低、周期长。表现在复合物的微观结构上就     

C/C复合材料预制体的研究进展

C/C复合材料是航空航天领域重要的热结构材料,碳纤维预制体是其最主要的基础技术之一,决定着C/C复合材料的各项性能。本文主要介绍了针刺毡、细编穿刺预制体和轴棒编织预制体等C/C预制体,对比了不同预制体的工艺方法、性能和应用特点。针刺毡预制体由于成本低、烧蚀均匀等特点,广泛应用在固体火箭发动机喷管和飞机刹车盘领域;细编穿刺预制体具有纤维体积含量高、致密化周期短和烧蚀率低等特点,应用在固体火箭发动机喉衬;轴棒编织预制体由于织物中70%以上纤维垂直于燃气流方向,提高了材料的抗烧蚀性能,适于制造大型固体火箭发动机。针对国内预制体的研究状况,提出了要加强预制体的孔隙结构、纤维排布等对C/C复合材料的力学、热物理学以及后续致密化工艺影响的研究,更好地促进预制体的发展,进一步提升我国C/C复合材料的性能。     

三维整体编织碳/酚醛复合材料烧蚀表面状态测试与分析

为了更好地研究三维整体纺织碳／酚醛复合材料的成型工艺对材料烧蚀性能的影响，选用不同纤维体积分数和不同编织结构的碳／酚碳复合材料试样，进行烧蚀试验，利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪对试样烧蚀后的表面进行测试，并采用多种分析方法对测试结果进行分析。从分析结果可以看出三维四向结构的碳／酚醛复合材料随着纤维体积分数的增加，烧蚀性能变好，较低纤维体积分数（50％）的三维五向结构碳／酚醛复合材料具有较好的烧蚀性能。     

編織立体織物簡介

三向立体织物是三个方向纱线成直交编织成的一种新型的立体织物结构。三个方向的纱线可以采用同一种材料制成各向同性的产品,也可以采用几种材料制成各向异性的产品。用碳纤维增强碳毡也可以制得立体织物。这两种立体织物经碳/碳复合后成为一种耐高温高压、高的烧蚀性能、轻质高强的结构材料和烧蚀材料。同时这种织物结构克服了层压及缠绕方法制成的产品层间剪切强度低和分层的弊病。     

细编穿刺织物的结构特点及性能

通过对细编穿刺织物成型工艺,结构单元的分析及比较细编穿刺织物与碳纤维正匀非织造三向织物编织试样的测试结果,阐明了细编穿刺织物的结构特点及其相应的性能。     

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。     

碳-碳复合材料研制新动向

美国麦克唐纳·道格拉斯宇航公司与美国空军合作正在大力研制供再入应用的新型碳-碳复合材料,其特点是用树脂作为碳-碳复合材料的基本原材料,探索不用沥青高压工艺生产高级碳-碳复合材料的可能。 七十年代中期美国通用电气公司采用三向细编和高压浸渍碳化沥青工艺研制成高级碳-碳复合材料,美国空军接着就与通用电气公司     

碳毡／碳复合材料的组织与高温退化

用扫描电镜观察碳毡/碳复合材料的断裂样品及在高温真空环境下的烧蚀样品,探讨了其高温下的组织损伤与显微结构的内在联系。结果表明:碳毡/碳复合材料中毡丝随机排列并呈一定的取向,材料表现为准横观各向同性,其组织由浸渍碳基体、CVD 碳致密层和碳丝组成,各周期间产生相互界面,形成环状微裂纹。强度主要来源于 CVD 碳包覆碳纤维结构,浸渍碳组织疏松对强度的贡献少,同时纤维相互搭接形成闭锁网络结构,降低了增强效果。组织的烧蚀受各组分碳的缺陷、致密度影响,浸渍碳最易烧蚀挥发,其次是碳纤维丝,高致密的 CVD 碳最后被烧损。     

CVD碳毡/碳复合材料的多相微观结构和缺陷的研究

碳/碳复台材料是一种新型的高温材料,在发展航空和航天等尖端技术方面它具有重要的意义。采用不同复合工艺制得的碳/碳复合材料的机械性能和烧蚀性能与复合工艺过程所形成的聚合物碳多相微观结构和缺陷特征有密切的关系。我们曾总结了用电子显微镜研究浸渍法所得3DCC复合材料的多相微观结构和缺陷特征。对化学气相沉积法(CVD)碳毡/碳复合材料的形态结构的研究,过去人们多数是采用光学显微镜或扫描电子显微镜(SEM),但对CVD碳毡/     

三维编织碳/酚醛复合材料研究进展北大核心CSCD

航天装备面临着越来越严苛的热环境,对防热材料的性能要求不断提高。三维编织碳/酚醛复合材料是一种综合性能优异的烧蚀防热材料,并且得益于三维编织预制体的特殊结构而具有极佳的可设计性,能够实现防热-结构一体化要求,随着编织工艺和成型工艺的不断发展,三维编织碳/酚醛逐渐成为航天领域热防护系统理想的候选材料。本文从三维编织碳纤维预成型体、酚醛树脂基体、成型工艺、复合材料耐烧蚀性能四个方面总结了三维编织碳/酚醛复合材料的相关研究进展。     

碳毡/碳喷管喉衬的烧蚀形貌观察

碳毡/碳复合材料喷管喉衬,经地面试车考核,其的抗热震能力明显优于单纯石墨。但也存在一些问题:烧蚀型面不均匀、不光滑,在进气段和喉部有大小不一、分布不均的孔洞,在下游段有冲刷流痕和沟槽。这除了与流场的分布有关外,还与材质的显微结构有关。 本文叙述了碳毡/碳喷管喉衬的烧蚀以及该材料解剖样品在扫描电镜观察下的烧蚀形貌。观察结果表明:(1)CVD碳管中的纤维碳容易氧化,烧蚀往往从纤维碳和基质碳的结合面     

四向碳/碳复合材料基材结构的研究及其发展前景

本文简要阐述四向织物的结构理论、织物研制工艺和设备以及碳/碳复合及其烧蚀性能的初试情况,然后探讨不同结构的复合材料对性能的影响,提出改善性能和研制各种新结构,以分别用于军品或民品的新设想。     

碳/碳化锆复合材料烧蚀机理和计算方法研究

研究了碳/碳化锆复合材料氧化烧蚀机理,发现它们与传统的硅基和碳基材料烧蚀有很大差别。基体ZrC氧化后在表面形成一种膨松状的多孔固态抗氧化膜,氧化膜能有效阻止材料进一步氧化,使烧蚀量大大降低。研究了烧蚀过程抗氧化膜的形成、演化和流失行为,研究了氧化膜中氧气的扩散机制(包括分子扩散和Knudsen扩散),研究了材料原始层表面可能存在的化学反应,建立了分析碳/碳化锆复合材料烧蚀响应的物理数学模型。     

带芯子的碳—碳端头烧蚀外形计算

对电弧加热器试验条件下端头的烧蚀外形进行了数值仿真，考察了碳－碳端头烧蚀外形随来流条件的变化规律，重点研究了将碳－碳端头体轴附近材料换成由另一种烧蚀速度较快的材料制成的芯子后的匹配烧蚀问题，揭示芯子对烧蚀外形的影响规律。