超高温陶瓷改性C/C复合材料抗氧化烧蚀性能研究进展

碳/碳(C/C)复合材料具有高强、轻质和耐温等优势,在航天领域取得广泛应用;但由于其抗氧化性能较差,难以满足高超声速飞行器长时飞行、大气层再入飞行和跨大气层飞行的服役环境。利用超高温陶瓷改性C/C复合材料(C/C-UHTC)可以显著提高C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能,有望满足新一代飞行器长时间抗氧化、抗烧蚀及结构强度的要求。本文总结了C/C-UHTC复合材料烧蚀性能的常用测试方法,包括氧-乙炔烧蚀、等离子烧蚀、激光烧蚀和风洞烧蚀,简要介绍了各种烧蚀性能测试方法的特点。此外,对近年来Zr系和Hf系单组元、双组元和三组元C/C-UHTC复合材料的烧蚀性能及烧蚀机理进行详细阐述。

C/C复合材料超声辅助磨削孔加工质量控制研究

为提高C/C复合材料孔加工出口边缘表面质量,以孔出口损伤因子S_(d)值(孔出口端面损伤面积与加工后理想孔面积之比)作为孔出口质量评价指标,利用单因素及正交试验方法优化磨削工艺参数,分析孔出口边缘磨削机理并提出孔出口损伤抑制策略。结果表明,当主轴转速为12000~14000 r/min,进给速度为5~7 mm/min,超声波振幅为8~9μm时,可将S_(d)值控制在4.723×10^(-3)以内。采用孔损伤抑制策略后,S_(d)值可进一步降低61.6%。此外,C/C复合材料在超声辅助磨削加工下的S_(d)值随主轴转速和超声波振幅的增加先减小后增大,随进给速度的增加逐渐增大;在保证进给速度最优时,适当提高主轴转速及超声波振幅有助于改善孔出口表面质量,并可提高加工效率。采用在临近孔出口时降低进给速度、使用刀具侧壁对孔出口进行光磨及在工件下方加设辅助支撑的策略可进一步降低孔出口损伤。

超高温陶瓷改性C/C复合材料抗烧蚀性能研究进展

随着航空航天事业的发展,C/C复合材料被广泛应用于该领域,但是高温抗氧化性能较差的缺点限制了它的使用范围。通过基体改性的方法将超高温陶瓷(UHTCs)引入到C/C复合材料中是提高C/C复合材料抗氧化烧蚀性能的主要方法。本文主要介绍了不同超高温陶瓷相对C/C-UHTCs复合材料烧蚀性能的影响,分析了相应的烧蚀机理和烧蚀性能不同测试方法的特点,并针对C/C-UHTCs复合材料的长效热防护、性能优化作出了展望。

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究进展

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备工艺原理与单一陶瓷相改性C/C复合材料的工艺原理基本相同,但SiC-ZrC复相陶瓷具有耐高温、温域宽(1600~2500℃)、抗氧化、工艺适应性好等优点,在测试和应用中表现出优异的力学性能和抗烧蚀性能,能够有效填补目前高温段热防护材料的空缺,因此已经成为C/C复合材料基体掺杂改性的重要选择,在航天飞行器防热领域极具应用潜力。本文针对C/C-SiC-ZrC复合材料的发展潜力和应用空间,从制备工艺、结构特征以及性能特点三个方面综述了C/C-SiC-ZrC复合材料当前的研究进展,分析了制备工艺对复合材料微结构和性能的影响规律,提出了基于工程应用C/C-SiC-ZrC防热材料的发展建议。

C/C复合材料在超声速富氧烧蚀环境下的烧蚀试验方法研究

利用氧/煤油液体火箭发动机设计原理,构建了烧蚀热环境可控的内流场超声速富氧烧蚀试验方法,并采用烧蚀发动机点火试验与CFD数值模拟相结合的方法,对所构建的烧蚀试验方法及数学模型的可靠性进行分析与验证,并进一步分析了烧蚀试验过程中的关键烧蚀热环境特性参数。然后,对三维四向编织C/C复合材料在超声速富氧烧蚀环境下的耐烧蚀性能与烧蚀机理进行分析。研究表明,烧蚀热环境的变化会对材料的耐烧蚀性能及烧蚀机制产生一定程度的影响,在收敛段高温、低速的烧蚀热环境下,C/C复合材料的线烧蚀率相对较低,约6.50×10^(-3) mm/s,材料的烧蚀以热氧化烧蚀为主;在烧蚀试样喉部直段区域,C/C复合材料的线烧蚀率逐渐增加,达到了1.35×10^(-2) mm/s,此时,材料的烧蚀体现为热氧化烧蚀后的机械剥蚀;在烧蚀试样扩张段区域,燃气速度急剧增加后,C/C复合材料的线烧蚀率显著增加,在试样出口达到了2.61×10^(-2) mm/s,材料的烧蚀主要体现为机械剥蚀。

高温热处理对C/C复合材料组织结构和拉伸性能的影响

为了缓解C/C复合材料的脆性,使用自制的热梯度化学气相沉积(TG-CVI)设备对单向碳纤维预制体进行致密化,制备得到致密的C/C复合材料。通过高温热处理调节界面的结合强度和基体碳的石墨化程度,利用排水法测试复合材料的密度,万能材料试验机测试其拉伸性能,采用可视化石墨烯片层技术(VGT)对试样进行处理,使用偏光显微镜(PLM)、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)分别研究复合材料的微观组织、界面和断面形貌、以及物相组成。结果表明,在相同沉积条件下,热处理后的C/C复合材料碳基体的石墨化程度提高,界面结合强度下降,拉伸性能下降。但复合材料最初的脆性断裂向拟延性转变,延伸率提高。

C/C复合材料表面低红外发射率薄膜研究

为降低C/C复合材料的红外发射率,同时提升其在高于400℃时的抗氧化性能,在C/C复合材料表面制备抗氧化涂层以提高其高温使用寿命。首先采用涂刷法在C/C复合材料表面制备SiC-玻璃复合抗氧化涂层,并在抗氧化涂层表面通过磁控溅射制备低红外发射率Ir薄膜。然后,系统探索并优化了抗氧化涂层和低红外发射率Ir薄膜的制备工艺,并探究了高温氧化行为对涂层红外发射率的影响。结果表明:固定溅射功率为100 W、溅射气压为1.2 Pa、靶基距为65 mm、基底温度为240℃时,在SiC-玻璃复合抗氧化涂层表面制备的低红外发射率Ir薄膜,在1 100℃下氧化1 h后,在3~5μm和8~14μm的红外发射率仍能保持0.1以下。

针刺C/C复合材料多尺度损伤分析

建立带有针孔区域的针刺C/C复合材料多尺度模型,结合混合率公式和周期性边界条件,计算各组分材料的弹性力学参数和针刺单胞模型的平均弹性参数;基于协同多尺度方法,采用关键区域应力-应变放大因子实现多尺度信息传递,并结合相应的失效准则,实现针刺C/C复合材料的多尺度损伤分析。

用于钎焊C/C复合材料的稀土改性还原氧化石墨烯增强AgCuTi复合钎料

为了解决钎焊接头中脆性化合物的形成问题,我们设计了一种创新性的稀土改性还原氧化石墨烯增强AgCuTi复合钎料,进而获得了以Ag-Cu共晶为主要组织且脆性化合物生成量合适的钎焊接头。对比分析了有无稀土Ce改性的复合钎料的成分和显微组织,结果表明,经Ce改性后的还原氧化石墨烯在钎料中更加均匀分散。比较了分别采用有无Ce改性的钎料钎焊C/C复合材料-C/C复合材料接头的界面微观结构,并研究了石墨烯含量对接头组织和性能的影响。结果表明,由于经Ce改性的钎料中的还原氧化石墨烯分散性更好,从而细化了焊缝组织,且物相分布更均匀,使得接头的剪切强度明显提高。当石墨烯含量为0.5 wt.%时,使用Ce改性的钎料所得钎焊接头的平均剪切强度最高,为31.82 MPa,提高了50%。

C/C复合材料高熵氧化物涂层抗烧蚀性能

新一代高超声速飞行器热端部件服役温度不断提高,对表面防护涂层的相稳定性和抗烧蚀性能提出了更高的要求。本工作针对传统过渡金属氧化物ZrO_(2)、HfO_(2)涂层开展高熵化设计,采用高温固相反应结合超音速大气等离子喷涂制备(Hf_(0.125)Zr_(0.125)Sm_(0.25)Er_(0.25)Y_(0.25))O_(2-δ)(M1R3O)、(Hf_(0.2)Zr_(0.2)Sm_(0.2)Er_(0.2)Y_(0.2))O_(2-δ)(M2R3O)、(Hf_(0.25)Zr_(0.25)-Sm_(0.167)Er_(0.167)Y_(0.167))O_(2-δ)(M3R3O)三种高熵氧化物涂层,探究稀土组元含量对高熵氧化物涂层的相结构演变规律、相稳定性以及抗烧蚀性能的影响。M2R3O涂层和M3R3O涂层呈现优异的相稳定性和抗烧蚀性能,涂层经热流密度为2.38~2.40 MW/m^(2)的氧–乙炔焰烧蚀后仍保持物相结构稳定,未发生固溶体分解或析出稀土组元。其中M2R3O涂层循环烧蚀180 s后的质量烧蚀率与线烧蚀率分别为0.01 mg/s和–1.16μm/s,相比M1R3O涂层(0.09 mg/s、–1.34μm/s)以及M3R3O涂层(0.02 mg/s、–4.51μm/s),分别降低了88.9%、13.4%以及50.0%、74.3%,表现出最优异的抗烧蚀性能。M2R3O涂层的抗烧蚀性能优异归因于其兼具较高的熔点(>2200℃)和较低的热导率((1.07±0.09)W/(m•K)),使其有效防护内部的SiC过渡层以及C/C复合材料免受氧化损伤,避免了界面SiO_(2)相形成所导致的界面开裂。

镍/钼复合中间层钎焊连接C/C复合材料和304不锈钢

本文使用在BNi-2或AgCuTi箔片钎料中添加金属中间层(Ni、Mo或Ni/Mo)的方法有效提高了C/C复合材料和304不锈钢真空钎焊接头的强度,并先后对接头的微观结构、连接机理和力学性能进行分析。分析表明,BNi-2+Ni/Mo接头的微观结构包括Cr_(3)C_(2)、Ni(s,s)、Cr_xNi_(y)+MoNi_(4)、MoNi_(4)+Cr_(x)M_(y)和Ni(s,s)+Cr-Fe;AgCuTi+Ni/Mo接头的界面则由TiC、Ag(s,s)+Cu(s,s)、Ni、Ag(s,s)+Cu(s,s)+MoTi、Mo和MoTi+Cu(s,s)+Ag(s,s)构成。有限元模拟结果表明,AgCuTi钎料加持下的镍/钼复合中间层能够有效缓解C/C母材与焊缝界面间的残余应力。室温下BNi-2+Ni/Mo、AgCuTi+Ni、AgCuTi+Mo和AgCuTi+Ni/Mo钎焊接头的平均剪切强度分别为2.57 MPa、10.91 MPa、23.81 MPa和26.77 MPa,有效验证了有限元结果的可靠性。

ISRO研发C/C复合材料喷嘴以提升火箭性能

ISRO(印度空间研究组织)最近研发了一种用于火箭发动机的轻质碳/碳(C/C)复合材料喷嘴,标志着火箭技术取得了重大突破。此项目由印度的VSSC(维克拉姆·萨拉巴伊空间中心)主导,希望通过C/C复合材料的应用提高火箭发动机的性能,如推力水平、比冲和推重比等参数,从而显著提升运载火箭的有效载荷能力。

闪光法测量C/C复合材料导热系数影响因素研究

C/C复合材料已在航空航天领域及原子能领域得到了广泛的应用,其工作温度可达1000℃以上。为对C/C复合材料导热系数进行测定,使用闪光法测定了C/C复合材料25℃至1000℃的热扩散系数和比热容,并对石墨喷敷、样品厚度、参比样品和修正模型的影响进行了研究。研究结果表明,为提高C/C复合材料热扩散系数测试准确度,样品应不喷敷石墨,测试结果使用渗射模型修正;为提高C/C复合材料比热容测试准确度,样品应均匀喷敷石墨,并使用石墨标准样品作为参比样品,测试结果使用Cowan模型修正。

基于激光加热和DIC技术的C/C复合材料热膨胀系数测量实验

针对传统的热膨胀系数测量方法实验时间长、测试温度低及难以适用于有氧环境等缺点,提出了基于连续激光加热和数字图像相关技术联用实现C/C复合材料高温升速率下的热膨胀系数测量方法。实验分别获取了激光诱导高温升率有氧环境下针刺型和3维编织型两类C/C复合材料从室温至约1000℃的热膨胀系数。研究结果表明,针刺型和3维编织型C/C复合材料的热膨胀系数随着温度的升高虽然存在一定的差异,但在纤维增强的方向热膨胀系数总体较小。提出的热膨胀系数测量方法具有实验效率高、温升速率高、适合有氧环境等优点,可用于表征C/C复合材料等耐高温材料的高温热力学性能。

C/C复合材料用多自由度异形针刺头装置

C/C复合材料相比传统石墨材料具有更优异的保温性能、更高的强度、更好的韧性,且不易破碎,可有效降低生产能耗、提升设备使用寿命,从而降低整个生产的成本。在编织C/C复合材料坯体时,因坯体形状、尺寸不同,现有针刺设备满足不了生产需求,为满足C/C复合材料坯体生产要求,提出了一种多自由度异形针刺头装置,该装置和现有设备同时使用,可满足不同形状、不同尺寸的编织要求,操作简单方便。

不同针刺工艺对C/C复合材料性能影响

通过改变刺针直径、针刺密度和预制体密度等调控针刺工艺来制备C/C复合材料,对比相同沉积工艺下,预制体结构对C/C复合材料密度及沉积速率的影响,以及不同针刺工艺对C/C复合材料弯曲性能,拉伸性能,压缩性能及热学性能影响。结果表明:采用刺针直径为0.7 mm,针刺密度为26~31针/cm^(2),预制体密度为0.33~0.37 g/cm^(3)制备的C1试样,CVI沉积后平均增密最大为1.0 g/cm^(3),平均增密速率最大为2.86 g/cm^(3).s,且C1试样整体力学性能最佳,较常规工艺制备的C/C复合材料来说,抗弯强度提高31%,抗拉伸强度提高22.3%,压缩最大载荷提高37%。

炭化压力对沥青成焦形貌及航空刹车用C/C复合材料浸渍增密效果的影响

将武钢中温沥青和太钢高温沥青在不同压力下炭化 ,进一步对所得沥青焦进行了高温热处理 ;利用扫描电子显微镜 (SEM)和光学显微镜观察所得沥青焦形貌。结果表明 :低压炭化时 ,沥青焦体积密度小 ,疏松、多大孔 ,主要为流线区域型各向异性结构 ;高压炭化时 ,沥青焦体积密度明显变大 ,孔变小且均匀分布 ,主要为小区域型和细镶嵌型各向异性显微结构。考察了不同炭化压力对浸渍增密航空刹车用C/C复合材料的增密效率的影响 ,结果显示 ,对整个沥青而言的宏观残炭率明显高于只针对样品而言的实际残炭率 ,因此有必要进行高压浸渍 /炭化实现快速增密。利用XRD和显微硬度测试仪检测了不同炭化压力所得沥青焦热处理后的石墨化度和显微硬度 ,发现高压下形成的沥青炭更难于石墨化 ,但石墨化度与显微硬度和热处理后的粗糙层 (RL)

C/C复合材料飞机刹车盘的结构与性能

采用企业、行业及国家相关标准的试验方法,对超码复合材料公司,英国Dunlop公司,法国CarbonIn-dusty公司,美国B.F.Goodrich、ALS公司等生产的9种C/C复合材料飞机刹车盘的物理、力学、热学、摩擦磨损的性能特征,以及中南大学生产的C/C复合材料刹车盘的有关性能,进行了对比分析。结果表明,选择适宜的炭纤维预制体结构,控制热解炭基体微观结构为光学粗糙层结构,合理的热处理温度是获得高性能炭刹车盘材料的关键。我国拥有自主知识产权研发的大型民机炭刹车盘在高摩擦特性方面获得了重大突破,已用于波音757-200型飞机,实现了国内C/C复合材料具有里程碑意义的第四个重大突破。

C/C复合材料烧蚀性能分析

阐述了 C/ C复合材料性能的优越性及烧蚀机理 ,并建立了剥蚀机理的物理模型 ;讨论了环境影响和表面粗糙度的生死循环 ,并且分析了 C/ C的机械剥蚀和热化学烧蚀 ,得到了一些启示。

C/C复合材料高温抗氧化涂层的研究现状与展望

C/C复合材料在高温下的氧化严重制约了该材料在航空航天领域的推广应用,涂层技术是目前解决该材料高温易氧化的最佳手段.本文综述了C/C复合材料高温抗氧化技术在玻璃涂层、金属涂层、陶瓷涂层和复合涂层等体系方面的研究现状,总结了C/C复合材料高温抗氧化涂层在传统制备工艺的改善以及新方法的开发等方面取得的研究成果,并提出了C/C复合材料高温抗氧化涂层当前研究中存在的问题和今后潜在的发展方向.