C/SiC复合材料推力室应用研究

C/SiC复合材料密度低、耐高温、抗氧化、抗烧蚀,并且具有非常好的高温力学性能,是制备高性能液体火箭发动机推力室的理想材料.本文从C/SiC复合材料燃烧室结构计算、无损探伤及C/SiC与金属连接等方面,论述了上海空间研究所在C/SiC复合材料应用于液体火箭发动机推力室方面的基础研究及应用进展.     

HAN基无毒单组元发动机热控研究

为使某HAN基无毒单组元发动机正常工作,需采用一种高效的热控方式,保证点火前其催化床温度在200℃之上(远高于传统单组元发动机的点火温度)。以该HAN基发动机为研究对象,在制定的热控方案基础上,建立有限元模型,采用I-DEAS/TMG软件对该发动机各部件温度进行计算,之后按照产品状态进行发动机真空热试验,获取发动机重点部位的温度数据。结果表明:除前床后部外,其余位置温度测点的热分析和试验温度误差均小于4℃,认为两者吻合较好,有限元模型可用于之后的在轨温度预示等工作;该HAN基发动机身部采用安装一种新型铠装加热丝组件,而后覆盖不锈钢箔的热控方式,结合支架的镂空结构设计,满足发动机工作的温度要求。     

HAN基无毒单元发动机常温启动技术研究

与目前采用的肼类推进剂相比,硝酸羟胺(简称HAN)基推进剂具有无毒无污染的特点,可以简化地面操作,减小爆炸的风险和对工作人员的伤害,能极大节约发射和使用维护的成本。然而,HAN基推进剂催化分解速率比肼类推进剂慢得多,因此HAN发动机催化床预热温度越低,可靠工作越困难。对HAN基单元发动机的常温启动技术进行了研究,并对发动机常温启动和120℃启动热试车试验进行了对比分析。研究结果表明:HAN发动机可实现常温启动,但HAN基单元发动机在120℃条件下启动比常温条件下启动更快,工作寿命长;对于常温启动的试验程序,采用脉冲工作时间较短且间隔时间较长的方案,发动机启动更快,工作寿命也更长。     

C/C复合材料ZrC/SiC抗烧蚀涂层性能研究

综合利用固相浸渗法和涂刷法,在C/C复合材料表面制备了一种ZrC/SiC抗烧蚀涂层.通过氧-乙炔实验测试了所制备ZrC/SiC涂层的抗烧蚀性能,并用XRD、SEM分析了涂层烧蚀前后的物相组成及微观形貌,研究了涂层的抗烧蚀机理.结果表明,此ZrC/SiC涂层与基体的结合性能及热稳定性能良好;涂层烧蚀机理是热化学烧蚀、热物...     

固体冲压发动机燃气阀用C/SiC复合材料研究

采用“化学气相渗透法 先驱体浸渍裂解法”(CVI PIP)混合工艺制备了固体冲压发动机燃气阀用3D C/S iC复合材料,并对复合材料的显微结构和力学性能进行了研究。复合材料的密度为2.1 g/cm3,复合材料的室温剪切强度和轴向弯曲强度分别为55 MPa和643 MPa。在断裂过程中,复合材料表现出明显非灾难性的韧性断裂行为,试样断裂面存在大量的拔出纤维。复合材料具有优异的绝热性能,Z向热导率为14.5 W/(m.K),X-Y面内热导率为5.0 W/(m.K)。研制的3D C/S iC复合材料燃气阀成功通过冷气轴向抗冲击试验和发动机高温搭载试验考核。     

C/SiC复合材料热辐射性能研究

利用稳态量热计法和傅里叶红外光谱仪分别测定了C/SiC复合材料在90℃时的半球向总发射率和室温法向光谱反射率.研究了纤维预制体编织方式、涂层厚度及表面形貌对C/SiC复合材料热辐射性能的影响.结果表明,3D C/SiC复合材料的热辐射性能优于2D C/SiC.2D C/SiC的总发射率为0.78,3D C/SiC达到0.82;SiC涂层厚度对C/SiC复合材料的热辐射性能影响很大,随着SiC涂层厚度的增加,C/SiC总发射率先降低后上升,最高值可达0.85;表面抛光后C/SiC复合材料热辐射性能有所下降,2D和3D C/SiC总发射率分别为0.74和0.75.     

2D C/SiC复合材料阻尼性能研究

测试了CVI工艺制备的2D C/S iC复合材料的阻尼性能,讨论了其阻尼机制,分析了涂层、测试频率和热处理等因素对其阻尼峰的影响。结果表明,2D C/S iC复合材料的阻尼峰值可达1.86×10-2,其阻尼机制主要为微裂纹扩展、增强纤维阻尼及界面阻尼;S iC涂层可大幅度降低2D C/S iC复合材料的阻尼性能,消除阻尼特性曲线上的阻尼峰;2D C/S iC复合材料阻尼峰随加载频率的升高而降低;高温热处理使2D C/S iC复合材料阻尼峰降低。     

带有SiC涂层的C/C复合材料的氧化行为

采用包埋法在C/C复合材料表面制备了SiC高温防氧化涂层。利用SEM和XRD等方法对涂层的微观形貌和晶相组成进行了观察与分析,并对带涂层试样在室温~1 500℃范围内的氧化行为进行了研究。结果表明,涂层主要由β-SiC和少量的游离Si组成,涂层表面有裂纹存在,涂层与C/C复合材料基体结合良好,呈现犬牙状结合。在室温~1 500℃之间,带SiC涂层C/C复合材料的氧化行为可分为4个阶段,涂层在高温区具有较好的防氧化性能。     

C/SiC陶瓷基复合材料与铌合金钎焊机理研究

阐述了C/SiC陶瓷基复合材料与铌合金的活性钎焊连接方式,通过扫描电镜、金相分析等手段,研究了钛基和铜基活性钎焊料分别在C/SiC陶瓷基复合材料和铌合金上的润湿性,并分析了两种材料的钎焊连接界面的微观元素扩散特征。研究结果表明,陶瓷基复合材料与铌合金的活性钎焊机理主要是通过钎焊料中的活性元素分别向陶瓷和铌合金中扩散并发生化学反应,从而实现三者之间的良好键合。     

低成本制造C/SiC复合材料的热物理性能研究

采用先驱体浸渍裂解工艺制备了三维针刺C/SiC复合材料,系统地研究了其热物理性能.结果表明:该低成本制造工艺制备的C/SiC复合材料热膨胀系数随温度升高总体上呈增大趋势,但随着温度的升高,热膨胀系数增大程度逐渐减弱,并且z向的热膨胀系数要高于x-y方向,而CVD-SiC涂层的存在会降低其热膨胀性能;C/SiC复合材料比热容、导热率也随着温度的升高呈现逐渐增大的趋势,但增加速率逐渐减小.CVD-SiC涂层的存在会提高C/SiC复合材料的导热性能,有利于C/SiC复合材料产品与外界环境的热能交换,但会使材料的比热容降低.     

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.     

C／SiC陶瓷复合材料推力室的制备与性能表征

采用"化学气相渗透法 聚合物先驱体浸渍裂解法"(CVI PIP)混合工艺制备出连续炭纤维增强碳化硅陶瓷复合材料(3D C/SiC)推力室,综合考察了复合材料的机械性能、微观结构和气密性能,以及姿控、轨控发动机环境试验考核.结果表明,"CVI PIP"混合工艺制备C/SiC复合材料不仅工艺周期缩短,而且材料性能优异.复合材料密度达2.1 g/cm3,室温弯曲强度和断裂韧性(KIC)分别达到520 MPa和17.9 MPa·m1/2;而且断裂破坏行为呈现典型的韧性模式.C/SiC复合材料推力室的高温气密性、抗氧化和抗烧蚀性能通过了双燃料液体发动机试验考核.     

薄界面3DC/SiC复合材料的热震损伤机制

为了研究薄界面3D C/SiC复合材料的热震行为,利用高频加热器在氩气保护环境中进行了700～1200℃的热震试验,然后基于热震试验后复合材料微结构变化和剩余强度变化,结合热应力的计算,确定了薄界面3D C/SiC复合材料的热震损伤机制.研究发现,在700～1200 ℃之间热震时,薄界面3D C/SiC复合材料会发生基体开裂和界面脱粘.基体开裂与裂纹扩展导致复合材料强度降低,界面脱粘导致复合材料强度提高.薄界面3D C/SiC复合材料的基体裂纹在热震50次左右达到饱和,裂纹饱和前,强度逐渐降低;裂纹饱和后,强度逐渐提高.     

离子推进器C/C复合材料栅极研究

栅极是离子推进器的关键部件之一,直接影响推进器的可靠性和寿命。由于C/C复合材料栅极具有比较小的热膨胀系数和较强的耐溅射性,可以提高离子推进器的可靠性并延长其寿命。文章通过调研综述C/C复合材料栅极的研究和应用发展状况,针对目前我国离子推进器的研究发展水平,提出开展C/C复合材料栅极研究工作的初步思路。     

一种典型C/SiC构型件的热噪声适应性试验研究

航天器结构用新型C/SiC复合材料在飞行过程中会承受气动加热和噪声复合环境,容易出现疲劳破坏,需要进行地面热噪声试验考核。针对一种典型的C/SiC蒙皮骨架构型件,利用行波管开展热噪声试验研究,对试验件、试验装置和试验方法等进行介绍。利用试验获得的有效数据揭示热噪声复合环境下该C/SiC构型件的失效模式,验证其热噪声环境适应性。     

界面改性对混杂基C/SiC复合材料性能的影响

通过界面设计与实验研究,对C/SiC材料进行C/SiC/C多层涂层界面处理,实现了保护纤维和提高复合材料韧性及调节机械性能的多重目的.同时还研究了界面涂层前后纤维表面处理对复合材料性能的影响,结果表明,对增强体进行界面涂层处理和"酸处理",适当强化弱界面,起到了提高复合材料高温强度保留率和增韧的目的,酸处理+CVD-C/SiC/C界面涂层的C/SiC 复合材料的高温强度保留率达到90%;进行了C/SiC/C界面涂层的C/SiC 复合材料的断裂韧性高达20.72 MPa·m1/2,较未进行界面涂层的C/SiC 复合材料的断裂韧性提高了31.8%.     

水氧腐蚀环境对2D C/SiC热扩散性能的作用机制研究

通过对不同温度条件下,水氧腐蚀前后2D C/SiC复合材料热扩散性能的演变规律,研究了环境损伤对C/SiC复合材料热扩散性能的作用机制。在水蒸气和氧气混合环境下,C/SiC复合材料内部气孔率增加,同时在材料表面有氧化物形成。材料内部出现的气孔,阻断了热流在材料内部的传输,使得热扩散性能呈现出直线下降的趋势。氧化物的形成,在一定程度上封填裂纹,有助于热量的传输,能够在一定程度上改善材料热扩散性能。