低密度C/C隔热材料快速低成本制备及性能研究

以轻质粘胶基碳毡为增强体,采用压力浸渍树脂/常压炭化工艺(PIC)引入树脂碳作为基体,从而制备出体密度、开孔率分别为1.05 g/cm~3和35.65%的C/C隔热材料,并对材料的力学性能、热物理性能和隔热性能进行了测试分析。结果表明,室温下C/C隔热材料的水平剪切强度和弯曲强度分别为2.97 MPa和11.7 MPa,其载荷-位移曲线呈典型的"抛物线"状,表明材料的韧性较好;随着温度的升高,C/C隔热材料的比热容和热导率均逐渐增大,但后者的增幅更小,1000℃时其值仅为0.922 W/(m·K);平均热膨胀系数则随着温度的升高呈现先升后降的趋势,RT～1000℃的平均热膨胀系数仅为1.326×10~(-6)/℃;通过氧乙炔静态烧蚀试验测试C/C隔热材料的烧蚀隔热性能,当烧蚀面的最高温度达到2450℃时,其背面温度仅为357℃,表明材料具有良好的隔热性能。     

GXTI-1微纳米微粒高效隔热复合材料的性能

设计正交试验,按照正交配比将A、B、C三种隔热功能填料与基体材料进行混合,制得高效隔热复合材料,测试了热性能以及力学性能,优选出最佳配比,分析了隔热机理。结果表明,隔热功能填料能有效地降低材料的热导率,当A、B、C的添加量分别为3%、5%和20%时,材料的热导率为0.056 W/(m·K),相比纯基体降低了69.6%(纯基体的热导率为0.184 W/(m·K)),隔热性能达到最佳。此外,材料的热稳定性也得到了提高,热分解温度达到508℃,相比纯基体提高了32℃。材料的力学性能下降,拉伸强度与撕裂强度分别为1.712 MPa和13.219 N/mm。另外,通过DSC测得高效隔热复合材料与CL-20炸药的相容性良好。     

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。     

芳氧基聚磷腈绝热包覆材料的性能表征

针对固体火箭发动机对绝热包覆材料性能要求,制备了芳氧基聚磷腈绝热包覆材料。利用热导率测定仪、动态热机械仪、SEM及国军标规定的测试方法对芳氧基聚磷腈的热导率、线膨胀系数、烧蚀后碳层结构、密度、线烧蚀率及与推进剂的相容性等进行了表征。结果表明,芳氧基聚磷腈的热导率为0.187 W/(m·K)、线膨胀系数为2.31×10-4℃-1、密度为1.196 g/cm3、线烧蚀率为0.109 mm/s,而且烧蚀后成碳率高、碳层坚硬,同时该材料与推进剂具有良好的相容性。芳氧基聚磷腈优异的物理性能及抗烧蚀性能,证明其可作为火箭发动机绝热包覆材料并显示出良好的应用前景。     

芳氧基聚磷腈绝热包覆材料的性能表征

针对固体火箭发动机对绝热包覆材料性能要求,制备了芳氧基聚磷腈绝热包覆材料。利用热导率测定仪、动态热机械仪、SEM以及国军标规定的测试方法对芳氧基聚磷腈的热导率、线膨胀系数、烧蚀后碳层结构、密度、线烧蚀率以及与推进剂的相容性等进行了表征。结果表明,芳氧基聚磷腈的热导率为0.187 W/(m·K)、线膨胀系数为2.31×10-4、密度为1.196 g/cm3、线烧蚀率为0.109 mm/s,而且烧蚀后成碳率高、碳层坚硬,同时该材料与推进剂具有良好的相容性。芳氧基聚磷腈优异的物理性能及抗烧蚀性能,证明其可作为火箭发动机绝热包覆材料,并显示出良好的应用前景。     

烧结温度对C/C-ZrC-SiC复合材料性能的影响

以葡萄糖作为碳源,硅溶胶作为硅源,氧氯化锆作为锆源,采用水热共沉积-碳热还原法制备了C/C-ZrC-SiC复合材料,研究了材料的烧结温度对C/C-ZrC-SiC复合材料的微观形貌、力学性能和耐烧蚀性能的影响。结果表明,烧结温度对水热共沉积制备C/C-ZrC-SiC复合材料的性能影响显著。水热共沉积制备的C/C-ZrO_2-SiO_2陶瓷在1600℃下烧结,可获得C/C-ZrC-SiC复合材料,ZrC和SiC陶瓷相颗粒粒径约为500 nm,在基体中均匀分布。1600℃烧结的C/C-ZrC-SiC复合材料表现出最佳的力学性能和抗烧蚀性能,其最大弯曲强度为173.8 MPa,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为1.28×10~(-4)g/(cm~2·s)和1.67μm/s。过高的烧结温度导致晶粒粗大、孔隙缺陷增多,使得复合材料力学性能恶化、抗烧蚀性能大幅降低。     

一种新型热防护涂料研究

研究了一种用于超音速飞行器的新型热防护涂料。分析了涂层材料应具有的特性,在此基础上对作为基体的有机硅改性环氧树脂的性能进行了研究,并筛选了改进涂层材料力学性能和隔热性能的填料,最后研究了涂层材料的综合性能。研究结果表明,有机硅改性环氧树脂的拉伸强度达到9.38 MPa,断裂伸长率达到16%,热分解温在340℃~640℃;涂层材料具有良好的力学性能、热性能和烧蚀性能,其拉伸强度为7.1MPa,断裂伸长率为1.04%,附着力为498.4 N/cm2,比热容为1.627×103J/(Kg.K),导热系数为0.146 W/m.K,隔热性能参数为0.087kg2/(m4.s),氧-乙炔烧蚀的线烧蚀率为0.194 mm/s,质量烧蚀率为0.0729 g/s。     

一种快速固化外防热层修复材料配方性能

针对修复某型号发动机外防热涂层局部损伤的难题,研制了一种能够室温快速固化的修复材料,测试了其相关性能及应用。结果表明,该材料的拉伸剪切强度≥8.0 MPa,热导率为0.337～0.368 W/(m·K),线烧蚀率为0.12～0.27 mm/s,质量烧蚀率为0.070～0.091 g/s,室温条件(15～30℃)下12 h即可固化,通过了高、低温循环冲击试验考核,环境适应性良好,能够有效修复外防热层的损伤,是一种综合性能优良的修复材料。     

C/C-Al2O3梯度功能复合材料改性研究

采用炭纤维表面涂层与基体改性方法相结合,对所制的C/C Al2O3梯度功能复合材料界面性能进行了改进。研究了增强相炭纤维与陶瓷相Al2O3的界面结合强度这一关键技术,进行了热学、烧蚀、力学性能测试和微观结构分析。结果表明,添加ZrO2对基体进行改性,使材料的强度提高了39.1%,热导率降低至0.902W/(m·K)(800℃);采用炭纤维表面SiC涂层处理能有效改善复合材料的界面性能,使材料强度提高了3倍,达到约70MPa。     

碳纤维增强莫来石复合材料的制备与性能研究

为解决传统溶胶制备的碳纤维增强莫来石复合材料致密化效率低、制备周期长、性能不理想等缺陷,以碳纤维布叠层缝合预制件为增强体,以符合莫来石化学计量比的Al2O3-SiO2溶胶为原料,通过浸渍-干燥-热处理技术路线制备C/Mullite复合材料。研究了Al2O3-SiO2溶胶的烧结收缩与莫来石化行为,对复合材料工艺进行了初步优化,表征了氧乙炔焰烧蚀性能。所用Al2O3-SiO2溶胶的固含量30.7%,陶瓷产率18.3%,经1 300℃热处理后,莫来石化基本完成,且表现出明显的烧结收缩。形成了能避免碳纤维布分层开裂的复合工艺路线。获得了四点弯曲强度和断裂韧性分别为210.6 MPa,11.2 MPa·m1/2的C/Mullite复合材料。在氧乙炔焰烧蚀中,莫来石基体分解生成Al2O3和SiO2,在热流和机械冲刷作用下,大量SiO2流失,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.049g/s,0.12mm/s。     

改性先驱体制备C/SiC复合材料性能研究

采用交联剂对聚碳硅烷(PCS)先驱体进行改性,以改性先驱体配置溶液制备了C/SiC复合材料。在制备过程中,由于改性先驱体较高的陶瓷产率,缩短了复合材料基体致密化周期,气孔率降低到7.2%,密度提升到2.01 g/m~3。在改善试样显微结构的同时,改性先驱体能够明显提升C/SiC复合材料力学性能,弯曲强度提高到459.4 MPa,断裂韧性提升到13.6MPa·m~(1/2),相比单组分PCS先驱体分别提高了51.9%和32.0%。烧蚀性能考核表明,试样的线烧蚀率和质量烧蚀率分别为8.3×10~(-3) mm/s和4.3×10~(-3) g/s,相比单组分PCS制备的试样分别降低了85.7%和73.1%。通过对试样内部显微结构和考核后形貌进行分析,结果表明试样力学和烧蚀性能的提升主要得益于致密化的基体以及基体对纤维很好的保护作用。     

高温热处理与C/C复合材料性能关系研究

采用整体炭毡为增强坯体,经过化学气相渗透(CVI)及树脂浸渍/炭化(PIC)工艺制备成整体毡C/C复合材料样品,对样品连续进行了3次2 500℃以上的高温热处理(HTT)。材料性能测试结果表明,3次HTT后材料z向抗拉强度由16.7MPa下降到8.87MPa,抗压强度由129.0MPa下降到72.7MPa,抗弯强度由35.7MPa下降到17.6MPa,抗剪强度由34.4MPa下降到18.7MPa;xy向室温(RT)~1 000℃的平均线膨胀系数由1.55×10-6K-1降低到1.13×10-6K-1;800℃的热导率由106.91 W/(m.K)降低到61.27 W/(m.K),比定压热容由2.56 kJ/(kg.K)下降到1.93 kJ/(kg.K);z向变化趋势基本相同。     

添加树脂碳对针刺C/C-SiC材料熔渗行为及性能的影响

以2.5D无纬布/网胎叠层针刺预制体为增强体，采用化学气相渗透和树脂浸渍裂解法制备了密度约1.35 g/cm³的热解碳C/C、热解碳+树脂碳C/C两种坯体，再经反应熔渗获得C/C-SiC复合材料，分析了不同碳基体组分C/C材料的熔渗特性及其微结构、拉伸性能及氧乙炔烧蚀性能的变化规律。结果表明：相比热解碳的“薄壳”型孔隙结构，树脂碳的“狭缝”型孔结构增大了液Si与碳基体的接触面积，提高了熔渗动力，获得致密度和SiC含量高的C/C-SiC复合材料，提升抗烧蚀性能，在氧乙炔火焰下经400～600 s烧蚀的线烧蚀率降低24%,但树脂碳对液Si的诱导渗透增加了骨架承载体的损伤，使树脂碳+热解碳基C/C-SiC复合材料室温拉伸强度(104±3)MPa低于热解碳基C/C-SiC的(118±3)MPa。     

铝水推进剂用铝基复合材料的制备及性能研究

通过比定压热容、热导率、热扩散率、电阻率和差热分析(DTA)等测试,考察了3种不同添加剂对铝水推进体系用铝基复合材料性能的影响。结果表明,添加剂b的加入,明显改善了铝基复合材料的性能:降低了铝基复合材料的启动温度,该材料在常温下与水反应剧烈,释放出明亮的火焰;提高了铝基复合材料的比定压热容,在-50~20℃温度范围内,比定压热容由0.65~0.75 J/(g.K)提高到0.95~1.1 J/(g.K);改善了铝基复合材料的导电、导热性能,热导率由3.938 1 W/(m.K)提高到5.039 6 W/(m.K),电阻率由0.013 6Ω.m降到0.013 1Ω.m。     

一种航天器用外热防护涂层材料研究

研制了一种由环氧改性有机硅树脂、聚酰胺类固化剂为基体,以隔热及耐热填料为添加剂的室温固化耐高温外热防护涂料体系;该外热防护涂层材料的拉伸强度3.15MPa,断裂伸长率26%;热导率0.271W/(m.K),比热容2.689 J/(g.K),而且具有优良的隔热性能、耐热性能以及良好的附着力。该涂层材料可用于T700/4319复合材料壳体表面的外防护,并可在350℃温度条件下短期使用。     

填充短纤维对NBR基绝热材料性能的影响

研制了一种新型的无石棉丁腈橡胶(NBR)基内绝热材料。在对酚醛纤维、聚丙烯腈预氧化纤维、粘胶纤维、美塔斯纤维等几种短切纤维对比基础上，优选出酚醛纤雏作为绝热材料的抗烧蚀填充剂，并研究了其用量对材料抗烧蚀性能及力学性能的影响趋势及作用机理。结果显示当NBR中填充25份酚醛纤维时，绝热材料的线烧蚀率0．04mm／s，拉伸强度8．12MPa．断裂伸长率794％，密度1．114g／cm^3，综合性能良好。     

热熔法预浸料成型技术在扩散段上的应用

对采用热熔胶膜法制备的高硅氧/酚醛和碳纤/酚醛预浸料及复合材料进行了研究。高硅氧/酚醛预浸料的百分流动度为20.4%,挥发份和树脂含量分别为5.2%和29.7%;碳纤/酚醛预浸料的百分流动度为28.9%,挥发份和树脂含量分别为5.8%和40.5%。对比分析了由热熔胶膜法和溶液法制备预浸料成型的碳纤/酚醛复合材料层压板的性能,采用热熔胶膜法制备的层压板的层间剪切强度提高了17.4%,拉伸强度和弯曲强度增加了45.3%和42.1%。氧乙炔线烧蚀率仅为溶液法的1/3。将其用于制备固体火箭发动机的扩散段,随炉试验件的性能评价表明:不仅热性能和力学性能优异,而且批次稳定性好,有助于降低热防护层的厚度,减轻火箭、导弹等的总体质量,对提高武器装备的性能具有重要的意义。     

炭/炭-酚醛双基体烧蚀防热材料研究

分别采用PAN基及粘胶丝基炭布作为增强体，进行了一种新型的炭／炭-酚醛双基体烧蚀防热层板材料的探索研究。结果表明，炭／炭-酚醛双基体材料的密度基本与炭／酚醛材料的密度相当；弯曲强度与炭／酚醛材料及C／C材料相当。弯曲模量稍高于炭／酚醛材料而低于C／C材料。其层剪强度低于炭／酚醛材料和C／C材料。降低了30％-40％。炭／炭-酚醛双基体材料保持了炭／酚醛材料低热导率的特点，热膨胀系数低于炭／酚醛材料，但高于C／C材料，其线烧蚀率比炭／酚醛材料降低20％-40％。与PAN基炭布增强材料相比，粘胶丝基炭布表现出层剪强度高、密度低和模量低的优点。但热膨胀系数大和线烧蚀率较大。     

基于碳/碳化硅复合材料的研究与应用

对采用碳化硅作为基体,碳纤维编织体作为复合增强材料的碳/碳化硅复合材料的性能进行了研究与验证。结果表明,该复合材料在常温下,弯曲强度大于350MPa,拉伸强度为190MPa,具有较好的抗氧化性。静力学环境下,产品的安全系数可达到3.7;固体发动机尾焰烧蚀条件下,质量损失率3%;电弧风洞烧蚀环境中,质量损失率0.3%,几乎零烧蚀。     

表面氧化处理对提高碳/酚醛材料性能的影响

采用次氯酸氧化和ＫＨ５５０偶联剂对碳纤维表面进行处理，研究了其对提高碳纤维及碳布增强钡酚醛材料力学性能和烧蚀性能的影响，并对氧化处理后碳纤维的表面性能进行了表征。得出，该方法是提高复合材料层间剪切强度和持有效方法，它可 间剪切强度提高了１７．５％，线烧蚀率减小５８．６％。