液体冲压发动机燃烧室C/C-SiC复合材料的烧蚀行为及力学性能

采用固体粒子和不含固体粒子在不同含氧量下的液体冲压发动机对C/C-SiC复合材料燃烧室内层进行测试,研究两种实验条件下烧蚀严重区域和一般区域的烧蚀量、烧蚀行为及材料烧蚀后的力学性能。结果表明:在含固体粒子条件下,烧蚀严重区域烧蚀量较大,而一般区域也有一定的烧蚀量,均比不含固体粒子条件下相应区域烧蚀量大;C/C-SiC复合材料表面涂层先发生氧化反应,生成的SiO2玻璃态膜覆盖在涂层表面,阻挡了氧气的进入,有效地保护了基体材料。随着温度不断上升,材料发生主动氧化,气流的剥蚀和冲刷会加速该过程,使得SiO2难以附着在产品内表面上,SiC基体和碳纤维失去保护而被损耗。纤维变细,强度逐渐降低,纤维的增韧效果大幅减小,两种实验条件下C/C-SiC复合材料的弯曲强度和剪切强度均发生了下降,在颗粒冲刷下,材料的力学性能损失更加严重。

高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为影响的实验研究

为了明确高速气流对C/SiC复合材料激光烧蚀行为的影响机制,开展了不同环境下强激光对C/SiC复合材料的烧蚀对比实验研究。利用激光器与高速风洞联合实验平台,完成了静态以及Ma 1.8,Ma 3.0,Ma6.0气流环境下2D与3DN C/SiC复合材料激光烧蚀实验。结果表明,与静态环境相比,高速气流对C/SiC复合材料的激光烧蚀行为产生了显著的影响,气流的冲刷使得烧蚀坑呈现出更宽、更深、更光滑的变化趋势。随着气流速度的增长,线烧蚀速率与质量烧蚀速率逐渐增大,主要原因为当地静压降低引起的升华速率增大,以及动压增大引起的剥蚀速率增大。此外,通过实验对比了不同构型对C/SiC激光烧蚀行为的影响。结果表明:2DC/SiC复合材料由于厚度方向更低的导热能力、更低的孔隙率等原因,其在不同环境条件下抗烧蚀能力均强于3DN C/SiC复合材料。

难熔钼合金的高温抗氧化和烧蚀行为

采用粉末冶金方法制备纯钼和MT钼合金,研究纯钼及MT合金在1 200℃的氧化行为和氧-乙炔焰烧蚀行为。结果表明:纯钼从晶界或孔隙等缺陷处开始氧化,逐步向内和周围侵蚀,生成易挥发的氧化钼,氧化钼的挥发使得纯钼在整体上以层片状逐步氧化,并且质量损失明显。MT合金中添加的超高温轻质相和合金元素能够形成耐高温、热稳定性优异的氧化物,生成的氧化物会在基体表面形成氧化物覆盖层,可以有效地阻碍氧向基体的侵入,从而使MT合金的抗氧化性和抗烧蚀性能提高,其氧化质量损失率仅为纯钼的1/3,并且在120 s的氧-乙炔焰烧蚀下,其线烧蚀率仅为0.17×10-3 mm/s。

TiB_2-Cu-Ni梯度功能材料的抗烧蚀行为

采用燃烧合成与同时致密化技术制备了TiB2-Cu-Ni5层金属-陶瓷梯度功能材料。利用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)等方法对梯度材料的成分及烧蚀前后的微观组织形貌等进行了检测,用等离子火炬电弧加热器对材料进行加热来考察梯度材料的抗热震性能以及抗烧蚀性能。结果表明,梯度功能材料各层之间的界线已经模糊,层与层之间的结合较好;梯度材料在瞬间加热时和瞬间冷却时均未出现崩裂,烧蚀后表面没有裂纹产生,说明该梯度材料具有优异的抗热震性能;烧蚀20s后,梯度功能材料烧蚀后的质量损失仅为0.5g,说明梯度功能材料具有良好的抗烧蚀性能。梯度材料的抗烧蚀机理为金属粘接剂的挥发损失、热化学烧蚀和机械冲刷。该梯度材料在固体火箭发动机的喷管、喉衬等部件上有广阔的应用前景。

航天飞行器防热部件烧蚀行为的数值模拟

对航天飞行器防热部件在氧 煤油发动机火焰喷吹下的烧蚀行为进行了有限元数值模拟。利用“杀死”单元的方法建立了防热部件瞬态温度场的有限元模型 ,实现了烧蚀边界的退缩 ,从而完成了对烧蚀尺寸变化的定量描述。烧蚀开始于4 5 9s ,到 12s时线烧蚀量为 1 4 7mm。计算结果与试验的实测结果一致。

TiB_2-Cu-Ni金属陶瓷的抗热震和抗烧蚀行为

利用Ti和B元素之间的化学反应放热,采用燃烧合成与同时致密化技术制备了TiB2-Cu-Ni金属陶瓷。利用等离子火炬电弧加热器来考察材料的抗热震性能以及抗烧蚀性能,利用扫描电镜、电子探针和能谱分析等方法对材料烧蚀前后的微观组织形貌及成分进行了检测。结果表明,金属陶瓷材料具有较好的抗热震性能,在瞬间热冲击时未出现崩裂,在烧蚀刚结束时有宏观裂纹产生。同时该材料还具有良好的抗烧蚀性能,经过20s烧蚀后,其质量损失仅为0.9g,质量烧蚀率为0.045g/s。材料的抗烧蚀机理为金属粘接剂挥发损失、热化学烧蚀和机械冲刷。

超高温复相陶瓷基复合材料烧蚀行为研究

采用前驱体浸渍热解(PIP)工艺制备了ZrC-SiC、ZrB_(2)-ZrC-SiC和HfB_(2)-HfC-SiC复相陶瓷基复合材料,复合材料中的超高温陶瓷相均呈现出亚微米/纳米均匀弥散分布的特征,对比研究了上述材料在大气等离子和高温电弧风洞考核环境中的超高温烧蚀行为。研究结果表明,超高温复相陶瓷基复合材料相比传统的未改性SiC基复合材料,烧蚀后复合材料表面原位生成了固液两相致密氧化膜,两相协同作用实现了抗冲蚀和抗氧化的效果,对液相SiO_(2)的流失起到了阻碍作用,提升了材料的超高温烧蚀性能。在此基础上,提出了设计超高温复相陶瓷基复合材料应考虑的因素。上述研究结果对陶瓷基复合材料在超高温有限寿命领域的应用具有一定的指导意义。

TiB2-Cu基金属陶瓷高温烧蚀行为研究

为研究TiB2-Cu基金属陶瓷材料的高温烧蚀行为,采用燃烧合成与同时致密化技术(SHS/PH IP)制备了TiB2-40Cu及TiB2-40Cu-8N i金属陶瓷复合材料.利用电弧风洞试验考察了材料的抗热震和抗烧蚀性能,利用扫描电镜、电子探针及X射线衍射等方法对材料烧蚀前后的微观组织形貌及成分进行了检测.结果表明,试验模型表面均有烧蚀冲刷痕迹,TiB2-40Cu模型由于抗热震性较差,其表面有裂纹出现,TiB2-40Cu-8N i的质量烧蚀率较TiB2-40Cu的质量烧蚀率低.微观组织分析表明,TiB2-40Cu模型烧蚀面中心区域剖面附近存在沿厚度方向100μm左右的烧蚀区.TiB2-40Cu复合材料的烧蚀机理为金属相的熔化、化学烧蚀和机械剥蚀.

Ta-W涂层/钛合金体系大气气氛脉冲激光烧蚀行为

采用电弧离子镀(AIP)在Ti-6.48Al-0.99Mo-0.91Fe(质量分数,%)钛合金表面制备Ta-10W(质量分数,%)涂层。通过脉冲激光加热试验模拟火药气体烧蚀工况,采用有限元温度场数值模拟、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)与能谱(EDS)分析等方法,研究Ta-W涂层/钛合金体系大气气氛循环热加载烧蚀行为。结果表明:脉冲激光加热过程中,高熔点、高热导率(相比纯钛)Ta-W涂层吸收、富集热量对钛合金基体具有热障保护作用,经10~40 s加热,Ta-W涂层使加热区熔透深度从无涂层基体的190~250μm明显减少至125~180μm,非加热区平均温度从无涂层基体的350~900℃大幅降低至250~500℃。由于加热区边缘温度低、温差大、熔体流动性差,利于孔洞及低熔点Al元素富集区的形成,在循环热应力作用下,该区域易成为表面横向和纵向裂纹策源地。钛合金基体加热后熔化层成分偏析严重,形成富Al带、富Mo和Fe区,在循环热应力作用下,富Al带成为截面横向裂纹的策源地;Ta-W涂层试样加热后形成熔化层、熔合层、扩散层组成的微观组织,热时间延长而尺寸逐渐变小的Ta-W涂层颗粒散布于熔化层导致涂层元素富集于此而起到持续保护作用。由于涂层与基体元素互扩散在熔合层形成孔洞(带),在循环热应力作用下,孔洞(带)为起源于表面加热区边缘的截面纵向裂纹的扩展提供便捷路径,且随加热时间(热震次数)的增加,裂纹尺寸增大,并可导致富Ta-W元素层的剥落而失效。热熔化及循环热应力为Ta-W涂层/钛合金体系大气气氛脉冲激光烧蚀失效的主要因素。

冲压发动机针刺C/SiC喷管的烧蚀行为研究

为探索C/SiC喷管在固液冲压发动机上应用的可行性以及固液冲压发动机工作环境下的烧蚀行为,对冲压发动机针刺C/SiC复合材料喷管进行了研究。研究结果表明:针刺C/SiC复合材料喷管能够适应冲压发动机富氧、长时间的工作环境;C/SiC复合材料喷管入口段和扩张段存在轻微的氧化,喉部以热化学烧蚀为主,收敛段以热化学烧蚀和热机械侵蚀为主;收敛段为整个喷管的薄弱环节,应根据不同的工作条件和烧蚀机理,对C/SiC喷管的厚度进行分别设计。

大口径机枪枪管内膛烧蚀行为与微观机理

为进一步探究枪炮身管内膛烧蚀机理,采用扫描电子显微镜、透射电镜等方法对比分析了现用大口径枪钢30SiMn2MoV与新型长寿命枪钢MPS700V内膛烧蚀形貌与微观组织特征,在此基础上,通过促进点燃试验对比了两种枪钢烧蚀行为,揭示了枪管内膛烧蚀的组织演化规律与微观机理。寿终内膛组织分析表明,两种枪管烧蚀裂纹尖端同时形成三个区域,分别为硫化物区、氧化物区和基体区,其中氧化物区中发现熔化非晶氧化物,MPS700V的氧化物区和硫化物区厚度均小于30SiMn2MoV。烧蚀模拟实验结果表明:直径为1~10 mm的MPS700V试样的烧蚀临界压力比相同尺寸下的30SiMn2MoV试样高30%以上;直径3.2 mm镀铬MPS700V试样的烧蚀临界压力比相同尺寸的镀铬30SiMn2MoV高39%以上;新型长寿命枪钢MPS700V的抗烧蚀性能优于现用枪钢30SiMn2MoV。烧蚀试样组织分析表明,与寿终内膛烧蚀组织相似,两种枪钢在模拟烧蚀后均形成氧化物与树枝晶。通过对比寿终枪管内膛与促进点燃下烧蚀的热力学、动力学及组织特征,提出枪管内膛烧蚀由高温高压火药燃气下内膛表面微区发生金属燃烧导致,并建立了相应的演化模型。

富氧度和粒子浓度对硅橡胶绝热材料烧蚀行为影响对比

为探究富氧度和粒子浓度对硅橡胶绝热材料烧蚀行为影响机理间的联系,基于自主研发的氧-煤油烧蚀试验系统,对某型硅橡胶基绝热材料进行了烧蚀试验。试验共设计有0%、5%、9%、15%、20%5组富氧度条件,每组均设置4%、6%、8%、10%4类粒子浓度,试验后测算各试样烧蚀率,并绘制了烧蚀率、富氧度和粒子浓度的三维曲面图,同时利用扫描电镜(SEM)对试样进行微观形貌研究。结果表明:在试验参数范围内,当富氧度一定时,随粒子浓度的增加,材料的2类烧蚀率均有所增大;而粒子浓度不变时,材料烧蚀率随富氧度的增加先上升后下降,在9%左右达到极值;粒子浓度直接影响材料表面的机械受力状况;富氧度影响材料中SiO_2的生成速率,在低富氧度条件下,SiO_2的生成析出量无法全面包裹保护纤维,致使烧蚀率略有上升;而在高富氧度条件下,生成的SiO_2附着在纤维丝表面加强了耐冲蚀性能,减缓了粒子破坏;粒子浓度对材料烧蚀行为的影响大于富氧度对材料烧蚀行为的影响,在开展的实验条件下,约是富氧度影响的5倍。

石英纤维增强环氧树脂基复合材料的激光烧蚀行为

以环氧树脂为基体,以石英纤维为增强体,制备了石英纤维增强环氧树脂基复合材料,探究了不同功率密度的高能连续激光对石英纤维增强环氧树脂基复合材料的辐照效应,分析了功率密度分别为100 W/cm2、500 W/cm2和1000 W/cm2的激光对辐照样品宏微观形貌和质量烧蚀率的影响,并通过温度演变数据和树脂热解阈值模型对烧蚀行为作进一步分析。研究结果表明:激光作用于复合材料表面后,沉积的能量将造成环氧树脂基体的热解,随着激光功率密度增加,环氧树脂基体热解程度增加,复合材料表面烧蚀区域不断扩大,质量烧蚀率增加,对复合材料的破坏加剧。环氧树脂基体热解生成的气体和残炭起到了消耗能量、遮蔽激光、阻隔热量等作用,使复合材料具备了一定的抗激光烧蚀性能。

碳/酚醛复合材料烧蚀行为预报方法

为研究用于钝头体高超声速飞行器热防护系统的碳/酚醛复合材料在典型服役环境下的烧蚀机制,首先,建立了烧蚀行为的数学模型,模型考虑了材料表面热辐射、固体相的温升吸热、基体热解反应吸热、高温热解气体引射、质量引射引起"热阻塞"效应、热解气体的温升和膨胀吸热等多种能量耗散机制,并利用有限元方法实现了数学模型的求解;然后,预报了在冷壁热流为400kW·m^(-2)、焓值为5MJ·kg^(-1)的气动热环境下碳/酚醛复合材料的烧蚀行为。结果表明:在受热过程中,厚度为20mm的碳/酚醛复合材料碳化层的深度持续增加,100s时的表面温度达到1 420K,背壁温度为346K,热解气体压力达10.3atm,碳化层深度为7.50mm。所得结论可为具有长时间大面积热防护需求的高超声速飞行器的热防护系统设计提供支持。

固体冲压发动机环境下C/C-SiC喷管的烧蚀行为及重复性使用分析

为探索C/C-SiC喷管在固体冲压发动机工作环境下烧蚀行为及重复使用的可行性,对固冲发动机C/CSiC复合材料喷管内层进行研究。研究结果表明:C/C-SiC复合材料喷管能够适应固体冲压发动机富氧、长时间的工作环境;C/C-SiC复合材料喷管收敛段的厚度有所下降,以热化学烧蚀和热机械侵蚀为主;喉部的厚度未发生明显变化,以热化学烧蚀为主;扩张段的厚度未发生变化,只有轻微的氧化。喷管内层的环向弯曲强度和轴向弯曲强度较试验前均有所降低,收敛段下降较多,而扩张段下降较少,但仍能满足重复使用要求;应对试验后喷管内层再进行分区化学气相沉积SiC涂层,提高喉部上游的抗氧化性能,提高其重复使用时的工作可靠性。

固体火箭发动机3D C/C材料喉衬热结构模拟与烧蚀行为

以高氯酸铵/端羟基聚丁二烯/Al三组元为推进剂,在压强6.5 MPa、工作时间20、60、95 s的烧蚀条件下,进行长时间的固体火箭发动机烧蚀,模拟计算了喷管3D C/C材料喉衬热平衡状态下的对流换热系数、温度场和应力场,结合计算结果分析了喉衬各区的烧蚀特征与机理。结果表明:喉衬收敛段温度最高,烧蚀为氧化组分(H_(2)O、CO_(2)、H_(2))与表面碳发生的热化学烧蚀;喉径区换热系数最大,温度较高,内表面在应力作用下,烧蚀最为严重,为燃气热化学烧蚀、高速气流机械剥蚀及粒子冲刷的共同作用,表面呈现出微小的沟槽或裂纹,应力与氧化使喉衬在低于材料极限应力下发生分解破坏;出口段应力降低,温度明显下降,烧蚀率显著降低。喉衬烧蚀机理为温度、应力影响下燃气氧化组分与碳的热化学烧蚀、气流机械剥蚀和Al_(2)O_(3)颗粒侵蚀的联合作用。

碳/酚醛防热复合材料烧蚀行为的数值模拟

碳/酚醛复合材料被广泛地应用于钝头体表面,是飞行器优秀的热防护材料。为了准确地预测其烧蚀性能,本文从复合材料的组成物纤维和基体的角度出发,基于能量、质量守恒和热分解方程,考虑了烧蚀过程中材料热属性的非线性变化和烧蚀面的退缩,分别计算了纤维和基体的烧蚀性能,预测了烧蚀过程中防热复合材料的温度分布、密度变化、质量损失规律及热属性和线烧蚀率等。结果表明:碳/酚醛复合材料的烧蚀是各种因素相互作用、相互影响的高度非线性过程;烧蚀过程中材料结构具有不均匀的温度分布,烧蚀面区域材料密度衰减最大并且材料的质量损失和损失率几乎呈线性增加;纤维和基体的烧蚀行为存在明显差异,分别预测两者的烧蚀性能,可以为热防护材料的设计提供更加准确的参考和依据。

超高温陶瓷及其复合材料的稀土改性研究进展

超高温陶瓷及其复合材料因具有耐超高温、轻质和抗氧化烧蚀等优点,目前已成为航空航天领域热结构材料研究的热点和前沿。基于稀土化合物在热障涂层等领域的优异性能和成功应用,研究人员将稀土化合物引入超高温陶瓷及其复合材料中,改善氧化层的结构和性质,以期解决超高温陶瓷基复合材料氧化层增长速度偏快和宽温域高低温循环氧化层易剥落等问题。本文综述了稀土改性超高温陶瓷及其复合材料的研究现状,分析探讨了改性机理,并展望了未来的研究发展方向。

Si(B)CN陶瓷及其复合材料评价与应用研究现状

总结了近年来Si(B)CN陶瓷及其复合材料评价与应用研究现状。首先介绍了Si(B)CN陶瓷及其复合材料的制备,而后详细综述了Si(B)CN陶瓷及其复合材料在力学性能、氧化行为、烧蚀行为、疲劳与蠕变性能、环境性能等方面的性能评价,并对其应用现状进行了概述。

2D-C/C复合材料结构与性能的研究进展

2D-C/C复合材料是以二维碳纤维为增强体,以化学气相渗透的热解碳或液相浸渍-炭化的树脂碳、沥青碳为基体组成的一种纯碳多相二维结构材料,是一种新型高性能结构功能复合材料,大量运用在航空航天等高新技术领域。目前研究集中于其宏观性能方面,难点在于其组织结构和性能的可控性、可调性。主要介绍了二维碳纤维预制体和针刺碳纤维,基体碳的微观结构和添加剂,纤维/基体界面和界面修饰,以及制备工艺对2D-C/C复合材料性能的影响。结合2D-C/C复合材料的结构特点,概述了2D-C/C复合材料热物理性能、力学性能及氧化烧蚀等行为的各向异性。此外,还展望了其研究发展方向。