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淺談碳碳復合材料及其的運用
高性能發動機的噴管出口錐也逐漸趨向于使用碳/碳材料,可延伸錐則基本上都使用碳/碳材料,多數是以人造絲為前驅體的2D 碳/碳,典型的發動機是美國的“星”系列上面級,已進行了數百次實際飛行。這種編織物層間剪切強度低,與喉襯間要通過3D 碳/碳連接件進行連接,并由3D 碳/碳件提供所需的剛度。
降低成本是碳/碳材料普及應用的一個重要因素,主要是致密工藝的改進。目前已開發的強制熱梯度化學氣相滲透工藝、快速致密工藝、等離子氣相沉積工藝,以及使用新型高殘碳率樹脂前驅體等均顯示了較好的效果。此外,降低成本還可以從提高工藝質量入手,美國大湖復合材料財團通過精確控制預制增強件的碳棒直徑,使固體發動機碳/ 碳噴管編織工藝時間縮短11% ,成本降低15%～20%。
整體式喉襯----入口段組件(ITE) ,繼后還開發了整體式喉襯----出口錐組件(ITEC) 。當前先進的碳/ 碳喉襯密度為1.87g/cm3～1.97g/cm3 ; 環向拉伸強度75 MPa～115MPa ;燒蝕率取決于燃燒室壓強及推進劑等因素,一級發動機燒蝕率范圍為0.20 mm/s～0.34 mm/s ,二級發動機為0.13 mm/s～0.19 mm/s ,三級發動機為0. 08 mm/ s～0.13 mm/s。大部分喉襯預制增強件采用3D 和4D 編織成型,由微機控制的自動織機完成,精度已相當高。美國主要使用3D 編織碳/ 碳,用軟編織或混合編織法成型,法國則比較多使用4D碳/ 碳,剛性棒編織,各束互成夾角70. 5°,纖維體積分數可達68% ,因此性能更高些。
碳/碳復合材料展望
C/C復合材料自20 世紀60 年代發明以來，就受到軍事、航空航天、核能以及許多民用工業領域的極大關注。然而，由于C/C復合材料制造工藝復雜、技術難度大，原材料價格昂貴，產品成本長期居高不下，其用途仍然限制在一些工作條件苛刻的部位，以及其它材料不能替代的航空航天和軍事領域。目前在C/C復合材料研究領域，最需要解決的問題是：研究高效、低成本、快速制備工藝方法；研究能在1 800℃以上長期使用的抗氧化涂層；研究高性能耐燒蝕C/C復合材料并應用于固體火箭喉襯材料；改進C/C合材料的摩擦磨損性能，使之更加滿足于剎車材料的應用。更多碳碳復合材料信息可查看http://www.multiopticas.cn
