耐燒蝕復(fù)合材料精簡(jiǎn)版.ppt

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1、耐燒蝕復(fù)合材料一、概述燒蝕放熱是利用表面燒蝕材料在燒蝕過(guò)程中的熱解放熱、熱解氣體的質(zhì)量引射效應(yīng)以及表面碳層的再輻射等一系列物理化學(xué)反應(yīng)帶走大量的熱量來(lái)保護(hù)構(gòu)件。燒蝕材料在高熱流作用下，由于發(fā)生化學(xué)、物理狀態(tài)和結(jié)構(gòu)變化而吸收熱量，材料在貧氧條件下熱解生成的多孔碳質(zhì)殘留物具有良好的隔熱性能，且在熾熱狀態(tài)時(shí)具有很高的表面紅外輻射系數(shù)，可通過(guò)輻射作用將大部分熱量輻射出去，從而延緩熱能向內(nèi)部傳導(dǎo)，保護(hù)了構(gòu)件在工作過(guò)程中不至受到熱損傷。二、耐燒蝕復(fù)合材料的分類(lèi)按燒蝕材料作用機(jī)理分類(lèi)：1.熔化型燒蝕復(fù)合材料主要是利用材料在高

2、溫下熔化吸熱，進(jìn)一步利用形成的熔融液態(tài)層來(lái)阻塞熱流，其代表性材料為石英和玻璃類(lèi)材料。2.碳化型燒蝕復(fù)合材料主要利用高分子材料在高溫下碳化吸收熱量，并進(jìn)一步利用形成的碳化層輻射散熱和阻塞熱流，其代表性材料是以酚醛樹(shù)脂為基體的防熱材料。3.升華型燒蝕復(fù)合材料主要利用材料在高溫下升華氣化吸收熱能，其代表性材料為石墨和碳/碳復(fù)合材料。石墨和碳/碳復(fù)合材料還是一種高輻射率材料，在升華前還有強(qiáng)烈的輻射散熱作用。按復(fù)合材料基體分類(lèi):1.樹(shù)脂基燒蝕材料主要有玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛和碳/酚醛復(fù)合材料。其中玻璃/酚醛和高硅氧/酚

3、醛屬于碳化-熔化型燒蝕材料，碳/酚醛屬于碳化-升華型燒蝕材料；2.碳基燒蝕復(fù)合材料主要有碳/碳復(fù)合材料，屬于升華型燒蝕材料;3.陶瓷基燒蝕復(fù)合材料主要有碳/石英燒蝕材料，屬于熔化-升華型燒蝕復(fù)合材料。三、樹(shù)脂基耐燒蝕復(fù)合材料酚醛樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂是使用歷史最長(zhǎng)、目前仍在大量使用的燒蝕基體。酚醛樹(shù)脂熱解后成碳率高，為57%—65%。樹(shù)脂熱降解后形成的碳是一種聚并苯結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，它能把填料牢固地粘結(jié)在一起，抵抗熱流的沖刷。因此高成碳率的酚醛樹(shù)脂用于制造燒蝕材料，具有較好的耐沖刷性能。傳統(tǒng)酚醛樹(shù)脂存在脆性大、固化收縮率高、吸

4、水性大等缺點(diǎn)，為了克服這些缺點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)出鉬改性酚醛、硼改性酚醛、苯基苯酚改性酚醛、酚三嗪改性酚醛等。樹(shù)脂基耐燒蝕復(fù)合材料的成型工藝多為模壓及布帶纏繞，層壓及花瓣鋪展也有少量應(yīng)用，近年來(lái)在RTM工藝方面的研究也有很大的進(jìn)展，模壓工藝多用纖維模壓與碎布模壓。布帶纏繞由于技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、成本低廉而得到了廣泛的應(yīng)用。四、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上的應(yīng)用根據(jù)噴管在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間的受熱分析和所用材料的功能，噴管材料大致可分為四類(lèi)：1.耐熱及耐燒蝕沖刷襯里材料國(guó)外固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉部以前和以后部位的耐熱、耐燒蝕

5、沖刷襯里一般選用石墨布/酚醛或碳布/酚醛復(fù)合材料，在噴管擴(kuò)張段的后部，可以使用高硅氧布/酚醛、玻璃布/酚醛等材料。這些材料可以布帶纏繞、鋪層或模壓成型。2.絕熱層材料絕熱層是在噴管內(nèi)外部之間起隔熱作用，它可以作為耐熱耐燒蝕沖刷襯里的背襯，在一定條件下也可直接作為耐熱耐燒蝕沖刷襯里。所用材料常為玻璃纖維、高硅氧或石棉增強(qiáng)的酚醛或環(huán)氧樹(shù)脂，還可用耐熱材料填充的橡膠。3.承力結(jié)構(gòu)材料噴管承力結(jié)構(gòu)件使用金屬或復(fù)合材料制造。常用的金屬為高強(qiáng)度鋼、鋁合金和鈦合金，復(fù)合材料為玻璃纖維或玻璃布/酚醛復(fù)合材料和高強(qiáng)度石墨纖維（或

6、布）/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。4.喉襯材料主要有增強(qiáng)塑料、石墨、難熔金屬、碳/碳復(fù)合材料。（1）增強(qiáng)塑料主要有石墨布/酚醛或碳布/酚醛，采用纏繞成型；（2）石墨主要有多晶石墨和熱解石墨。熱解石墨是由氣態(tài)碳沉積在集體上形成的，用多片熱解石墨疊成喉襯，其軸向熱膨脹較大，耐燒蝕性優(yōu)于多晶石墨；（3）難熔金屬主要有鉬和鎢及合金。采用鍛造、旋壓和粉末燒結(jié)方法成型。前者只適用于尺寸較小、推進(jìn)劑能量較低的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管。后者可用于火焰溫度達(dá)3600℃的噴管，在滲銀或銅后，可使其熱傳導(dǎo)率提高。鎢喉襯在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中幾乎不燒蝕。（4）碳

7、/碳復(fù)合材料基體材料為氣相沉積碳或液體浸漬熱解碳，增強(qiáng)材料為碳布、碳?xì)只蛱祭w維多維編織物，該材料具有多種優(yōu)點(diǎn)：高溫條件下強(qiáng)度高；耐含固體顆粒的氣流沖刷；熱膨脹系數(shù)??；熱導(dǎo)率低等。碳/碳復(fù)合材料可用于噴管內(nèi)型面的各個(gè)部位，且不需要支撐結(jié)構(gòu)，因此可使噴管結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)質(zhì)輕、高效率和高可靠性。