碳化铪含量对C/C复合材料喉衬烧蚀性能的影响

将炭毡浸渍于饱和的HfOCl2.8H2O乙醇溶液中,经600℃热处理形成HfO2/C复合材料,然后采用热梯度化学气相沉积工艺在2100℃进行致密化和石墨化处理使HfO2转化为HfC而得到碳化铪(HfC)改性、整体炭毡增强的炭/炭(HfC-C/C)复合材料整体喉衬。利用小型固体火箭发动机试车台装置,在7MPa、3200℃烧蚀3s以测定HfC含量对喉衬烧蚀性能的影响。结果表明,HfC质量分数为5.7%的HfC-C/C喉衬线烧蚀率减小了25.2%;HfC质量分数为8.7%的HfC-C/C喉衬线烧蚀率减小了49.6%。同时,当HfC质量分数为5.7%时,HfC-C/C喉衬出现了以恒定线烧蚀率为特征的稳态烧蚀阶段,且该阶段的持续时间随HfC含量的增加而增加。     

冲击载荷损伤后C／C复合材料烧蚀性能的研究

通过液态浸渍结合热梯度化学气相渗透(TCVI)制备了碳化铪含量为2.5%(质量分数)的C/C (HfC-C/C)复合材料.利用split Hopkinson pressure bar (SHPB)装置,对HfC-C/C复合材料进行了不同载荷冲击损伤,采用氧乙炔火焰烧蚀法测定了复合材料的烧蚀性能,结合扫描电镜分析了冲击损伤对HfC-C/C复合材料烧蚀性能的影响.结果表明:动态冲击损伤对HfC-C/C复合材料线烧蚀率的影响不显著,而其质量烧蚀率随冲击载荷的增加而增加,且冲击载荷对HfC-C/C复合材料质量烧蚀率的影响存在有一个阈值,超过此值,材料的质量烧蚀率显著增加.     

热解炭结构对C/C复合材料烧蚀性能的影响

采用电弧驻点烧蚀试验方法测试了具有典型光滑层和粗糙层热解炭结构的两种C/C复合材料的烧蚀率,研究了热解炭结构对C/C复合材料烧蚀性能的影响.结果表明:热解炭结构对C/C复合材料烧蚀性能有较大的影响.具有粗糙层结构的C/C复合材料石墨化度高,不同炭结构之间结合好,线烧蚀率和质量烧蚀率较小,烧蚀性能较好;具有光滑层结构的C/C复合材料石墨化度低,烧蚀性能较差.     

喷管热环境对碳基材料喉衬烧蚀率的影响

采用装有羟基聚丁二烯(HTPB)与高能推进剂的多种规格固体火箭发动机,对工程应用的5种炭/炭(C/C)复合材料和2种石墨喉衬进行地面点火试验。揭示碳基材料喉衬烧蚀率与喷管热环境的燃气特性、燃烧室压强,以及材料本体特性等三要素的关联度,并与其他国家同类型材料进行了对比。结果表明,喷管热环境的燃气氧化性组分浓度和燃烧室压强对碳基材料喉衬烧蚀率有较大影响。压强是影响烧蚀率的第一要素,压强增加1倍,烧蚀率增大1. 8～2. 6倍;燃气氧化性组分浓度是影响烧蚀率的第二要素,HTPB H_2O的摩尔浓度比高能推进剂高1. 26倍,因而烧蚀率增大51. 6%～65. 1%。在碳基材料喉衬中烧蚀率最低的是热解石墨;其次是整体毡C/C、针刺炭纤维C/C、轴编4D C/C、绕纱(穿刺) 3D C/C及T705石墨等处于同一水平;而径编4D C/C喉衬烧蚀率偏高。整体而言,中国碳基喉衬材料与其他国家同类材料相比,其烧蚀率基本相当或略优。     

冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响

利用Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB)装置, 对炭化铪含量为2wt％的C/C复合材料进行了载荷峰值为137MPa的动态冲击损伤, 采用氧乙炔烧蚀装置研究了冲击损伤对C/C复合材料烧蚀性能的影响, 并结合扫描电镜讨论了冲击损伤对样品烧蚀机理的影响. 研究结果表明: 与未受冲击的C/C复合材料相比, 冲击损伤后, 复合材料的质量烧蚀率增加了40％, 线烧蚀率增加了118％.     

电耦合CVI制备穿刺C/C喉衬材料的微结构及性能

采用电耦合化学气相渗透（CVI）联合树脂浸渍碳化工艺制备了穿刺碳纤维预制体增强C/C喉衬材料,利用μ-CT表征了穿刺C/C材料增密不同阶段孔隙尺寸,研究了该材料2 800℃拉伸性能和缩比固体发动机烧蚀性能。结果表明,电耦合CVI增密后穿刺C/C喉衬材料孔隙主要存在于纤维束间,呈现空间联通的网状结构,树脂碳循环致密后材料内部仍残存少量体积0~0.08 mm³的微小孔隙,孔隙呈现孤立的点分布状态。穿刺C/C材料2 800℃拉伸强度略高于室温,断裂应变比室温提高118%,表现出优异的非线性断裂行为。穿刺C/C喉衬缩比固体发动机点火试验后线烧蚀率0.077 mm/s,喉衬不同区域的烧蚀机制有一定差异,喉衬收敛段穿刺纤维束承受驻点烧蚀,产生蜂窝状烧蚀凹坑,烧蚀较严重,喉部和扩散段烧蚀较为平滑。     

碳化铪改性炭/炭复合材料喉衬的热化学烧蚀

采用小型固体火箭发动机研究了碳化铪(HfC)改性炭/炭复合材料喉衬的热化学烧蚀.借助基于最小自由能原理的NASA-CEA程序计算了燃气组成,借助化学热力学软件FactSage计算了燃气组分与碳、HfC的化学反应.结果表明,燃气中的H2O、CO2和OH是碳和HfC的主要氧化组分,使材料发生热化学烧蚀;纤维-基体界面是烧蚀的薄弱环节,烧蚀沿着界面分别向碳纤维和基体方向推进.热化学作用(氧化)造成纤维变细,顶端呈锥状,基体变薄,呈壳状.     

ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀性能及烧蚀机制

为了提高炭/炭(C/C)复合材料的耐烧蚀性能,以孔隙率为38%的C/C复合材料为坯体,Zr-Cu混合粉末为熔渗剂,采用反应熔渗法制备了ZrC-Cu-C/C复合材料。通过氧-乙炔焰烧蚀实验,研究了熔渗剂成分对复合材料高温耐烧蚀性能的影响。利用XRD、SEM和EDS对烧蚀前后ZrC-Cu-C/C复合材料的相组成和微观结构进行了分析。结果表明:ZrC-Cu-C/C复合材料烧蚀前主要存在C、ZrC和Cu相,有微量Zr残余;烧蚀20s后表面主要存在炭基体、ZrO_2、CuO、Cu_2O及残余的ZrC和Cu。随熔渗剂中Zr含量增加,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均呈现先减小后增大的趋势,以60%Zr-Cu(质量分数)为熔渗剂制备的ZrC-Cu-C/C复合材料的抗烧蚀性能最佳,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0018mm·s~(-1)和0.0013g·s~(-1)。ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀机制为以C的升华、ZrO_2的熔化及Cu的蒸发和汽化为主的热物理烧蚀、ZrC和C氧化的热化学烧蚀以及高压热流冲刷引起的机械剥蚀的综合作用。     

ZrB2改性C/C复合材料微观结构及烧蚀性能的研究（英文）

采用超声波真空浸渍-碳热还原法将ZrB2引入碳纤维预置体,结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrB2改性C/C复合材料.氧-乙炔烧蚀测试结果表明,添加了6.87 wt%ZrB2后,C/C复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别下降了64.9%和67.5%.分析表明,C/C复合材料的烧蚀主要是由热化学和热物理反应控制,机械剥蚀在烧蚀过程中仅起到次要作用.烧蚀产物ZrO2/B2O3在烧蚀过程中的挥发会带走大量的热,从而减少了烧蚀火焰对烧蚀表面的热冲击.     

烧蚀型面结构对CVI+HPIC工艺制备针刺C/C喉衬等离子烧蚀性能的影响

以碳纤维无纬布/碳纤维网胎叠层针刺预制体为增强体, 经化学气相渗透(CVI)联合沥青高压碳化(HPIC)工艺制备了热解碳+沥青碳双元基针刺C/C喉衬材料, 利用X射线断层扫描(μ-CT)和扫描电镜(SEM)表征了材料的微观结构, 采用等离子烧蚀试验考察了针刺喉衬材料X-Y纤维铺层面(0°)、Z向针刺面(90°)以及两者间过渡层面(23°、45°和68°)的烧蚀性能。结果表明, 采用CVI+HPIC组合工艺能使针刺材料达到高致密态, 获得了孔隙率仅为4%的C/C材料, 材料内部孔隙呈离散态分布, 其中98%的孔隙为小于20 μm的小孔。烧蚀结果显示, 针刺C/C材料不同区域的烧蚀性能存在差异, 从X-Y层面(0°)到Z向针刺面(90°), 其耐烧蚀性能呈先增强后减弱的趋势, 68°层面耐烧蚀性能最好, 线、质量烧蚀率分别为0.056 mm/s、0.050 g/s。烧蚀面纤维的排布是影响烧蚀性能的关键因素, 68°层面因形成的尖端烧蚀模式占比较高, 表现出最佳的耐烧蚀性能。     

3D C/SiC复合材料喷管在小型固体火箭发动机中的烧蚀规律研究

采用小型固体火箭发动机研究了3D C/SiC复合材料喷管的烧蚀性能,分析了3D C/SiC的烧蚀机理及燃气参数对烧蚀性能的影响.结果表明,喷管喉部线烧蚀率为0.128±40.088mm/s,质量烧蚀率为0.166kg/(m2.s);受喷管内燃气组分、温度、压强和流速等环境参数的影响,3D C/SiC的烧蚀涉及不同机理的非均匀烧蚀.喉部及其上下游过渡区域烧蚀最严重,收敛段其次,扩散段烧蚀最弱.烧蚀过程是热物理化学侵蚀和机械剥蚀综合作用的结果:涉及SiC的分解流失,SiC和碳纤维的氧化烧蚀,还涉及低速Al2O3大粒子的机械化学侵蚀,高速Al2O3小粒子的机械侵蚀等.     

碳／碳复合材料的宽温域自愈合抗氧化

在前期碳材料自愈合抗氧化研究的基础上,提出了通过多元陶瓷基体改性赋予碳／碳复合材料在较宽温度范围内实现自愈合抗氧化的基本原理和技术方案,分析了B4C—SiC、ZrC—SiC和ZrB2-ZrC—SiC等多元陶瓷的抗氧化机理,并采用新近合成的ZrB2-ZrC—SiC三元复相陶瓷有机前驱体,通过PIP技术制备了一系列超高温复相陶瓷改性的碳／碳复合材料,研究了该类复合材料在2200℃以下高速气流冲蚀环境中的协同抗氧化和抗烧蚀性能,发现材料表面生成的复合氧化物层能够在一定条件下赋予复合材料自愈合抗氧化能力。     

燃气发生器条件下穿刺C/C复合材料喷管的烧蚀性能研究

研究了穿刺C/C复合材料喷管在酒精/氧气燃气发生器模拟的液体火箭发动机富氧燃气环境中的烧蚀性能, 分析了穿刺C/C复合材料的烧蚀机理及燃气参数对烧蚀性能的影响. 结果表明, 喷管喉部线烧蚀率为(0.055±0.029)mm/s, 质量烧蚀率为0.186kg/(m²·s). 喷管收敛段下游到喉部区域烧蚀最严重, 收敛段上游其次, 扩散段烧蚀最弱. 烧蚀过程是热化学烧蚀和气流冲刷综合作用的结果, 燃气温度和氧化性组分H₂O和CO₂含量决定穿刺C/C复合材料热化学烧蚀率, 压强和流速影响穿刺C/C复合材料的机械剥蚀.     

双组元液体动力环境下3D C/SiC复合材料喷管烧蚀性能

为明确C/SiC陶瓷基复合材料喷管在液体火箭发动机工作环境的烧蚀特性,采用先驱体浸渍-裂解（PIP）工艺制备得到3D C/SiC复合材料喷管,并对喷管进行多种工况环境下的地面热试车烧蚀考核。结果表明：制备得到的3D C/SiC复合材料喷管能够满足液体火箭发动机多种工况环境下抗烧蚀性能要求,喷管喉部线烧蚀率约为3.92×10^-4 mm/s;热试车烧蚀实验后喷管入口圆柱段、收敛段、喉部及扩张段外型面均残留有大量白色物质SiO₂,喉部局部出现烧蚀坑洞现象;C/SiC复合材料液体火箭发动机工作环境下的烧蚀机理为机械冲刷烧蚀和氧化烧蚀。     

Ablation Performance of Carbon/Carbon Composite Throat after a Solid Rocket Motor Ground Ignition Test

The ablation performances of a fine-woven, pierced carbon/carbon (C/C) composite throats for solid rocket motor were investigated by a ground ignition?test. The ablation surface morphologies of three regions (entrance, throat and exit) of the throats were examined in detail by scanning electron microscopy. The results show that the C/C composite throats retain smooth inner surface, experiencing ablation rates of 0.142–0.146?mm/s under a pressure of about 6.0?MPa. But ablation morphologies of the three regions are different, due to the continuously changing of temperatures, velocities, and oxidant concentrations of combustion gas plume.     

烧蚀产物ZrO2对ZrC改性C/C复合材料烧蚀的影响

采用ZrOCl₂溶液浸渍法把含锆组元引入碳纤维预制体, 结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrC改性C/C复合材料. 用氧乙炔烧蚀测试材料的烧蚀性能, XRD测试材料烧蚀前后的物相组成, 采用SEM观察材料的微观形貌. 烧蚀结果表明：随着烧蚀次数的增加, 若每次烧蚀后不去除ZrO₂, 材料的线、质量烧蚀率呈先增加后减小的趋势, 最后趋于稳定; 若每次烧蚀后去除ZrO₂, 材料的线、质量烧蚀率均呈增大的趋势. 产物ZrO₂的蒸发吸收了材料烧蚀表面的热量, 减缓了火焰对烧蚀表面的冲蚀, 材料的线烧蚀率减小, 然而, ZrO₂的蒸发会增加材料的质量损失速度, 导致材料的质量烧蚀率增大.