陶瓷基复合材料在喷管上的应用

《陶瓷基复合材料在喷管上的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《陶瓷基复合材料在喷管上的应用（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、张 建 艺陕西非金属材料工艺研究所 西安 710025( )文 摘 综述了国外 C/ SiC 陶瓷基复合材料在火箭 发 动 机 喷 管 上 的 应 用 现 状 ,重 点 介 绍 了 法 国 SEP 生产 C/ SiC 复合材料喷管扩张段的成型技 术 以 及 连 接 与 机 加 、 材 料 性 能 等 。 最 后 对 C/ SiC 复 合 材 料 在 固 体 火 箭发动机上的应用前景进行了展望 。关键词 碳纤维 , 碳化硅 , 陶瓷基复合材料 , 喷管Ceramic Matrix Composite Applications in NozzleZhang J ianyiShaanxi Resea

2、rch Institute of Non2metal Material Technology Xian 710025( )Abstract The overseas application of C/ SiC ceramic matrix composite materials in rocket motor nozzles is present2ed here . More emphases are given on fabrication method ,jointing and machining ,material properties of C/ SiC composite mate

3、rial nozzle diergence cone made by SEP in France . Development tendency of C/ SiC composite materials in solid rock2 et motor is prospected at last .Key words Carbon fiber , SiC , Ceramic matrix composite , Nozzle1 前言由 于 固 体 火 箭 发 动 机 喷 管 的 工 作 条 件 苛 刻 ,对 材料性能要求高 ,因而对喷管材料的研究十分重要 。 目 前在固体火箭 发 动 机 喷 管

4、 研 制 过 程 中 ,对 喷 管 材 料的要求仍是轻质 、 结构简单 、 可靠性高 。 在喷管材料 中 ,碳纤维布 带 / 酚 醛 ( C/ P) 复 合 材 料 制 造 工 艺 简 单 、 技术成熟 、 成 本 低 而 受 到 广 泛 应 用 ,但 在 喷 管 部 件 上应用 时 具 有 力 学 性 能 相 对 低 、 质 量 大 等 缺 点 ;C/ C 复合材 料 比 C/ P 复 合 材 料 力 学 性 能 高 、 质 轻 、 耐高温 ,但其最大的缺点是在高温条件下易氧化 、 使用 时间短 ( 60 s) 等 。 陶 瓷 基 复 合 材 料 是 在 陶 瓷 基 体 中引入第二相 增 强

5、 材 料 ,由 于 增 强 剂 阻 止 了 陶 瓷 基 体中的裂纹发展成为全羽毛 状 的 裂 纹 ,因 而 比 C/ C 复合材料质轻 、 耐高温 、 耐氧化等 , 最主要的是克 服了 C/ C 复合材料易氧化的缺点 , 除具有比传统陶瓷 更加优异的韧 性 外 ,又 克 服 了 传 统 陶 瓷 材 料 固 有的脆性 ,是一种新型结构复合材料 ,受到了人们极大 的关注 1 。陶瓷基复合材料在液体火箭发动机上已获得成 功 应 用 , 喷 管 扩 张 段 采 用 C/ SiC 制 造 , 壁 厚 仅 1 . 5mm ,在 1 200 MPa 应 力 负 载 试 验 中 没 有 发 生 破 坏 。 该

6、喷管不仅结构简单且质轻 ,与常用的金属铌 (密度9 g/ cm3) 相应部件相比 ,质量减轻约 75 % 。 目 前 ,C/ SiC 陶瓷复合材料 在 固 体 火 箭 发 动 机 上 的 应 用 研 究 正 在进行 ,可以预 计 该 材 料 在 固 体 火 箭 发 动 机 喷 管上的应用具有广阔的前景 。成型工艺 25 22. 1 材料选择在 纤 维 增 强 陶 瓷 基 复 合 材 料 研 究 中 ,常 用 的 增 强纤维有两种 : SiC 纤维和 C 纤维 。 由于 SiC 纤维强收 稿 日 期 :1999 - 05 - 17 ;修 回 日 期 :1999 - 08 - 04张 建 艺 ,1

7、960 年 出 生 ,工 程 师 ,主 要 从 事 科 技 情 报 研 究 工 作 14 宇航材料工艺 2 000 年 第 4 期度 在 1 200 时 便 大 大 下 降 , 从 而 引 起 2D SiC/ SiC陶 瓷基复合材 料 性 能 大 大 下 降 ,而 C/ SiC 陶 瓷 基 复 合 材料则表现出 了 优 异 的 耐 高 温 性 能 ,因 而 在 高 温(1 200 以 上 ) 使 用 时 , 便 选 择 C 纤 维 作 为 增 强 材 料 ,SiC 作基体 。 本文重点介绍 C/ SiC 陶瓷基复 合 材 料在喷管上的应用研究情况 。在 研 究 C/ SiC 陶 瓷 基 复 合

8、 材 料 时 ,首 先 应 对 增 强 纤维和基体 进 行 选 择 。 研 究 发 现 ,选 择 增 强 纤 维 时应注意如下几点 :(1) 纤维的模量 和 强 度 要 比 基 体 的 高 ; ( 2) 纤 维 与基体间要有良好的相容性 ; (3) 二者结合的强 度 要 恰 当 ; (4) 增强 纤 维 与 基 体 的 热 膨 胀 系 数 要 匹 配 ,纤 维的热膨胀系数应稍大于基体 。选择基体时应考虑如下几点 :(1) 耐高温性能 ; (2) 与 C 纤 维 的 相 容 性 ; ( 3) 抗 氧化性能 ; (4) 在相似情况下研究的经验及费用等 。 为制造出刚性 、 薄壁结构 ,增强纤维要经

9、过精密 的 编织 。 在实 验 中 发 现 PAN 为 先 驱 体 的 C 纤 维 比 人造丝或沥青为先驱体的 C 纤维更适宜做 C/ SiC 的增 强纤维 。 在制 造 薄 壁 结 构 时 ,纤 维 的 热 稳 定 性 是 一 个重要参数 ,衡 量 纤 维 热 稳 定 性 的 标 志 是 其 在 加 热过程中的热膨胀系数 。在 选择基体时 ,选择了 SiC 做 基 体 ,是 由 于 与 其 它材料相比 ,SiC 在 2 500 条件下不熔化 ,其膨胀系数 与 C 纤维相近 ,在 1 000 1 650 范围内抗氧化 性能优异的材料 。由 于 陶 瓷 基 复 合 材 料 要 具 有 防 氧 化

10、 的 功 能 ,在C/ SiC 制造过程中 ,SiC 在氧存在的情况下生成 Si02 ,其 熔 点 在 1 500 以 上 ,并 且 在 2 200 以 上 才 发 生气 化 。 SiO2 本身 非 常 抗 氧 渗 透 ,其 氧 化 过 程 相 当 缓 慢 ,因而高温环境 中 陶 瓷 材 料 可 在 氧 存 在 的 情 况 下持续相当长的时间 。2. 2 制造方法陶瓷基复合材料在 制 造 过 程 中 ,首 先 将 C 纤 维 进 行 多 维 编 织 ,然 后 采 用 致 密 化 工 艺 ( 如 CVI) 使 部 件致密 。法 国 SEP 公 司 在 陶 瓷 基 复 合 材 料 喷 管 扩 张

11、部件 制造中 ,选用 HerculesUHM C 纤 维 ,将 其 编 织 在 石 墨 整体芯模上 ,在 圆 柱 区 域 辫 数 大 约 每 2 . 54 cm 为15 辫 , 在 锥 形 出 口 锥 区 域 减 至 12 辫 , 壁 厚 仅 1 . 5 mm 。 3D 编 织 在 轴 向 的 纤 维 提 供 轴 向 的 强 度 和 韧 性 。 预制件成型后 ,进行 CVI 工 艺 渗 SiC 致 密 处 理 。SEP 在致 密 过 程 中 , 采 用 “热 泵 ”CVI 技 术 将 气 化 后 的 SiC 用 “热泵 ”通 入 部 件 ,在 专 用 的 真 空 感 应 炉 中以 三氯甲基硅烷

12、 ( CH3 SiCl3) 作原料 ,氢气为稀释气 体 和 载流气体 。 渗 透 过 程 是 在 负 压 下 进 行 的 ,沉 积 温度为 1 100 。从动力学观点来看 ,渗透过程受扩散所控制 ,因 此 在渗透过程中 必 须 保 持 炉 压 低 ,气 流 速 度 与 沉 积 温度也要很低 ,只有这样才能加速气体的扩散 ,使每 个 开口气 孔 都 能 沉 积 上 均 匀 的 SiC 基 体 , CVI 过 程 是 一个缓慢的过程 。 表 1 、 表 2 为 SEP 研制的 2D 、 3DC/ SiC 喷 管 部 件 性 能 , 该 部 件 的 致 密 化 过 程 大 约 需300 h , 最

13、终 密 度 达 到 大 约 2 . 1 g/ cm3 , 开 孔 率 大 约14 % ,陶 瓷 基 复 合 材 料 最 终 环 向 拉 伸 强 度 超 过 了100 MPa ,纤维体积分数为 40 % 45 % 。表 1 SEPCARBINO X 2D C/ SiC 材料性能Ta b. 1 Properties of SEPCARBINO X 2D C/ SiC composite热 扩 散 系 数 / 10 - 6m2s - 1 热 膨 胀 系 数 / 10 - 6 K- 1拉 伸 强 度 / MPa 方 向弯 曲 强 度 / MPa 方 向剪 切 强 度 / MPa 方 向拉 伸 模 量

14、/ GPa 方 向温 度 / 方 向 方 向 方 向 方 向231 0003503505007003535901001175233551 400 330 700 35 100 8 - - 表 2 NO VOL TEX 3D C/ SiC 材料性能Properties of NO VOL TEX 3D C/ SiC compositeTa b. 2拉 伸 强 度 / MPa 方 向剪 切 强 度 / MPa 方 向热 扩 散 系 数 / 10 - 6m2s - 1 热 膨 胀 系 数 / 10 - 6 K- 1温 度 / 纤 维 体 积 分 数 / % 密 度 / gcm - 3 方 向 方 向

15、 方 向 方 向23 24 2 . 3 80 100 12 9 2 2. 51 400 - - - - 7 4 2 2 . 5 宇航材料工艺 2 000 年 第 4 期 15 2. 3 连接与机加陶瓷基复合材料自身连接或与其它材料的连接 是应用中不可忽视的 ,除在结构上进行优化外 ,应根据其特点选择高温 无 机 粘 结 剂 ( 如 硅 酸 盐 和 复 合 粘 结剂 ) 技术途径 ,把经 CVI 后的部件与不同质的材料 粘在一起 ,这样做部件的整体效果较好 。 目前 ,可耐1 300 2 000 高 温 的 无 机 粘 结 剂 和 粘 接 工 艺 还 有待研究 。陶瓷基复合材的二次加工比较困难

16、,对于致密 、坚 硬的陶瓷基复 合 材 应 在 其 预 成 型 后 ,高 温 处 理 前 先 加工成要求的 形 状 和 尺 寸 ,这 样 可 避 免 或 减 少 陶 瓷 基复合材成型 后 的 加 工 问 题 ,但 在 工 程 中 难 以 避 免二次加工 ,因此 ,研究陶瓷基复合材的特种加工技 术是必要的 。3 应用C/ SiC 复合 材 料 的 应 用 很 广 泛 , 如 滑 动 摩 擦 材 料 、 电 子 元 件 、 活 体 材 料 、 耐 高 温 材 料 等 。 特 别 是 在 原子能 、 宇航方面的应用最引人注目 。阿 里安 4 第 三 级 液 氢 / 液 氧 推 力 室 喷 管 是 SEP公 司以 NOVOLTEX 为预制增 强 体 ,采 用 CVI 致 密 工