耐烧蚀复合材料精简.ppt

耐烧蚀复合材料 一、概述 烧蚀放热是利用表面烧蚀材料在烧蚀过程中的热解放 热、热解气体的质量引射效应以及表面碳层的再辐射 等一系列物理化学反应带走大量的热量来保护构件。 烧蚀材料在高热流作用下，由于发生化学、物理状态 和结构变化而吸收热量，材料在贫氧条件下热解生成 的多孔碳质残留物具有良好的隔热性能，且在炽热状 态时具有很高的表面红外辐射系数，可通过辐射作用 将大部分热量辐射出去，从而延缓热能向内部传导， 保护了构件在工作过程中不至受到热损伤。 二、耐烧蚀复合材料的分类 按烧蚀材料作用机理分类： 1. 熔化型烧蚀复合材料 主要是利用材料在高温下熔化吸热，进一步利用 形成的熔融液态层来阻塞热流，其代表性材料为 石英和玻璃类材料。 2. 碳化型烧蚀复合材料 主要利用高分子材料在高温下碳化吸收热量，并进 一步利用形成的碳化层辐射散热和阻塞热流，其代 表性材料是以酚醛树脂为基体的防热材料。 3.升华型烧蚀复合材料 主要利用材料在高温下升华气化吸收热能，其代表 性材料为石墨和碳/碳复合材料。石墨和碳/碳复合 材料还是一种高辐射率材料，在升华前还有强烈的 辐射散热作用。 按复合材料基体分类: 1. 树脂基烧蚀材料 主要有玻璃/酚醛、高硅氧/酚醛和碳/酚醛复合材料 。其中玻璃/酚醛和高硅氧/酚醛属于碳化-熔化型烧 蚀材料，碳/酚醛属于碳化-升华型烧蚀材料； 2. 碳基烧蚀复合材料 主要有碳/碳复合材料，属于升华型烧蚀材料; 3. 陶瓷基烧蚀复合材料 主要有碳/石英烧蚀材料，属于熔化-升华型烧蚀复合 材料。 三、树脂基耐烧蚀复合材料 酚醛树脂 酚醛树脂是使用历史最长、目前仍在大量使用的烧蚀基 体。酚醛树脂热解后成碳率高，为57%65%。树脂热降 解后形成的碳是一种聚并苯结构的物质，它能把填料牢 固地粘结在一起，抵抗热流的冲刷。因此高成碳率的酚 醛树脂用于制造烧蚀材料，具有较好的耐冲刷性能。传 统酚醛树脂存在脆性大、固化收缩率高、吸水性大等缺 点，为了克服这些缺点，研究开发出钼改性酚醛、硼改 性酚醛、苯基苯酚改性酚醛、酚三嗪改性酚醛等。 树脂基耐烧蚀复合材料的成型工艺多为模压及布 带缠绕，层压及花瓣铺展也有少量应用，近年来在RTM 工艺方面的研究也有很大的进展，模压工艺多用纤维 模压与碎布模压。布带缠绕由于技术成熟、工艺简单 、生产周期短、成本低廉而得到了广泛的应用。 四、固体火箭发动机喷管上的应用 根据喷管在发动机工作期间的受热分析和所用材料的功 能，喷管材料大致可分为四类： 1. 耐热及耐烧蚀冲刷衬里材料 国外固体火箭发动机喷管喉部以前和以后部位的耐热、 耐烧蚀冲刷衬里一般选用石墨布/酚醛或碳布/酚醛复合 材料，在喷管扩张段的后部，可以使用高硅氧布/酚醛 、玻璃布/酚醛等材料。这些材料可以布带缠绕、铺层 或模压成型。 2. 绝热层材料 绝热层是在喷管内外部之间起隔热作用，它可以作为耐 热耐烧蚀冲刷衬里的背衬，在一定条件下也可直接作为 耐热耐烧蚀冲刷衬里。所用材料常为玻璃纤维、高硅氧 或石棉增强的酚醛或环氧树脂，还可用耐热材料填充的 橡胶。 3. 承力结构材料 喷管承力结构件使用金属或复合材料制造。常用的金 属为高强度钢、铝合金和钛合金，复合材料为玻璃纤 维或玻璃布/酚醛复合材料和高强度石墨纤维（或布） /环氧树脂复合材料。 4. 喉衬材料 主要有增强塑料、石墨、难熔金属、碳/碳复合材料。 （1）增强塑料 主要有石墨布/酚醛或碳布/酚醛，采用缠绕成型； （2）石墨 主要有多晶石墨和热解石墨。热解石墨是由气态碳沉积 在集体上形成的，用多片热解石墨叠成喉衬，其轴向热 膨胀较大，耐烧蚀性优于多晶石墨； （3）难熔金属 主要有钼和钨及合金。采用锻造、旋压和粉末烧结方 法成型。前者只适用于尺寸较小、推进剂能量较低的 发动机喷管。后者可用于火焰温度达3600的喷管， 在渗银或铜后，可使其热传导率提高。钨喉衬在发动 机工作过程中几乎不烧蚀。 （4）碳/碳复合材料 基体材料为气相沉积碳或液体浸渍热解碳，增强材料为 碳布、碳毡或碳纤维多维编织物，该材料具有多种优点 ：高温条件下