耐烧蚀复合材料精简版

耐烧蚀复合材料
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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。
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。
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。
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。
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. 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 ：高温条件下强度高；耐含固体颗粒的气流冲刷；热膨 胀系数小；热导率低等。碳/碳复合材料可用于喷管内 型面的各个部位，且不需要支撑结构，因此可使喷管结 构大大简化，实现质轻、高效率和高可靠性。