2碳复合材料发展现状和存在问题的研究

航空耐高温碳／碳复合材料发展 现状和存在问题的研究 西北工业大学李贺军 碳／碳复合材料是国防高技术新材料领域中重点研究和开发的一种新型超高温材料，它的 显著特点是： (1)比重轻(小于2．og／em3)，仅为镍基高温合金的1／4，陶瓷材料的1／2，这一点对许多结 构或装备要求轻型化至关重要。 (2)该材料的高温性能极佳，且随温度升高(可达2200。C)，其强度不仅不降低，甚至比室 温还高，这一独特性能是其它材料所无法比拟的。 (3)该材料抗烧蚀性能良好，烧蚀均匀，可以达到高于3000℃的高温，运用于短时间烧蚀 的环境中，如航天工业使用的火箭发动机喷管、喉衬等具有无与伦比的优越性。 (4)耐摩擦磨损性能优异，其摩擦系数小、性能稳定，是各种耐磨和摩擦部件的最佳候选 材料。 (5)具有其它复合材料的特征，如高比强、高比模、高疲劳强度和蠕变性能等。 碳／碳复合材料的上述特征决定了它既可以作为功能材料，又可以用作高温结构材料使 用。因此，自上世纪五十年代末问世起就引起了全世界的关注，各发达国家纷纷投入这方面的 研究。但在最初几年发展缓慢，即所谓的六十年代初期的低性能阶段。1963年，日本学者大 谷杉郎成功地研制出了沥青基碳纤维”o，使制造高模、高强、低成本的碳纤维等成为可能，极 大促进了碳／碳复合材料的研制。到六十年代末期，美国已成功地将碳／碳复合材料用于火箭 喷管”J，英国Dunlop公司则在1974年成功地将碳／碳复合材料刹车盘用于协和号飞机”o。自 七十年代起，碳／碳复合材料在美国和欧洲得到很大发展，推出了碳纤维多向编织技术，高压液 相浸渍工艺及化学气相浸渗法(CVI)，并利用这些方法制得了高密度的碳／碳复合材料，为碳／ 碳复合材料的制造、批量生产和应用开拓了思路。八十年代以来，碳／碳复合材料的研究极为 活跃，更多国家进入这一研究领域，在提高性能，快速致密化工艺研究及扩大应用等方面取得 很大进展。我国航天和飞机刹车盘用碳／碳复合材料的研究开始于上世纪七十年代，针对航空 发动机热结构碳／碳复仓材料的研究工作起步较晚，直到九十年代初(“八五”)才开始进行基 础方面的研究工作．并在“九五”和“十五”国防预研项目的支持下，持续进行了该方面的研究 工作。 一、国外应用情况 当今，在四大类复合材料中，就其研究与应用水平而言，碳／碳复合材料仅次于树脂基复合 材料，优先于金属基复合材料和陶瓷基复合材料，已走向工程应用阶段。碳／碳复合材料飞机 刹车盘、火箭发动机的喉衬和喷管、弹头防热材料等是该材料在生产实际中应用的典型代表。 将碳／碳复合材料作为高温长时间使用的热结构材料应用，尤其是用于新一代高性能航空 】55 发动机的热端部件仍然是国内外研究者主攻的目标。由于发动机转动件要求苛玄6，碳／碳复合 材料首先在航空发动机的静止件上得到使用，在美国F100、F119发动机和俄罗斯航空发动机 上已经实验了碳／碳复合材料制作的航空发动机燃烧室、导向器、尾喷管、鱼鳞片、密封片和声 挡板等。已研制的零件主要有： ①涡轮盘(Disk) 研制碳／碳复合材料涡轮叶片和盘的国家较多，包括美国、德国、法国、Et本、前苏联等，据 报道，美国I爪，公司制造出了涡轮叶片和涡轮盘整体部件，并在1760。C温度下进行了地面超 转试验，美国通用电气公司用碳／碳复合材料制造出JID验证机低压涡轮部分的涡轮叶片和盘 整体部件，运转温度1649qC，比一般涡轮的温度高出555。C，且不用气冷，现已试验成功；13本 空间与宇航科学研究所1996年也对碳／碳用于冲压式空气喷气发动机涡轮盘进行了可行性研 究，开发了两种用碳／碳复合材料做涡轮盘的优化设计结构。 ②叶片 由于未来的发动机的进13温度期望达到1700。C～180&C。这样，未来的发动机叶片的最 佳选材就是碳／碳复合材料，因此各国对此也加紧研究，但公开报道的研究进展不多，1993年， 13本空间与宇航科学研究所对航空用冲压式空气喷气发动机涡轮碳／碳叶片进行了测试，这种 碳／碳涡轮叶片是通过专门设计的预制体经热压渗浸工艺制备的，测试是在实际的载荷与转速 下进行的。美国Rohr公司与爱理德·西格诺航宇公司加雷特发动机分公司签定 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 ，研究低 价格碳／碳复合材料涡轮转子叶片的材料和工艺，于1996年交付一套涡轮转子叶片，进行发动 机实验。 ③旋转门换向器(Thepivotingdoor_reverser) 1981年Hurel—Dubois提出推力换向器，称之为旋转门换向器，与一般换向器相比，具有 使用方便、重量轻等优点。1991年，JouanJ．研究了这种换向器的在Rolls—Royce发动机的应 用，这种换向器将用于MDll和AirbusA330飞行器。1992年CECJoint研究中心的Matera．R 和Merola．M研究了碳／碳复合材料换向器的高温性能。 ④燃烧室(Chamber) 1992年日本国家空间实验室检测了四种类型的碳／碳在三氧化二氮／甲基肼燃烧气氛下 的抗热疲劳性能。在表面温度达2000K的循环测试下，基体改性的带SiC涂层的碳／碳复合材 料没有发生破坏，证明这种基体改性碳／碳具有比传统碳／碳高得多的抗热疲劳能力。另外，还 采用三氧化二氮／甲基肼检验了碳／碳燃烧室的气密特性。 ⑤鱼鳞片 美国HITCO公司制成鱼鳞片，到1991年，一套带涂层保护的碳／碳复合材料鱼鳞片在发 动机上考核超过1300小时，进行5100次加力燃烧室热循环和2100小时等效飞行试验。 二、我国碳／碳复合材料的现状 我国自70年代初开展碳／碳复合材料研究，至今已30余年，先后从事该领域研究的单位 有中科院沈阳金属所、中科院山西煤炭化学研究所、航天四院43所、一院703所、陕西兴平 514厂、烟台冶金新材料研究所、上海纺科院、兰州炭素厂、西北工业大学、中南工业大学、航空 621研究所等。在各单位众多科技人员的努力下，已取得令人瞩目的成绩。针对航空发动机 用高温结构碳／碳复合材料的研制工作，主要由西北工业大学承担，经lo余年的研究，已取得 较大进展。在其它方面，碳／碳复合材料已成功得到应用。首先是80年代初固体火箭发动机 的碳／碳喉衬进入实用化阶段；近年来，作为摩擦材料和弹头防热材料应用也取得重大突破，成 156 功地在新型号军机的刹车盘和导弹头部实现应用。 在制备工艺方面，首先对常压浸渍碳化工艺和等温CVI工艺进行了研究，随后为满足抗 烧蚀材料对高密度的要求，成功实现了热等静压工艺。为提高致密化速率，降低制备成本，还 对热梯度CVI工艺、压差CVI工艺、CVI与浸渍碳化混合工艺、强制流动热梯度CVI工艺、热压 工艺、液烃蒸发沉积工艺等进行了研究，并开发了新型超高压工艺、限域变温CVI工艺、HCVI 工艺等专利方法。 在材料种类方面，研制了针刺炭毡增强碳／碳、单向碳／碳、两向碳／碳、多向编织碳／碳、缠 绕+径向插棒增强等多种材料；基体材料则分别研究了沥青和多种树脂以及气态前驱体甲烷、 丙烯等。 在抗氧化方面，经过多年努力，国内报道水平为在静止空气条件下，1650qC，防护时间为 200小时(图1)；在燃气冲刷环境下，1100'：'C，1300。C，1500℃，；能力为20小时(图2)，是由西 北工业大学采用MoSi：一SiC复合涂层实现的。我国在该方面的主要进展包括以下方面： (1)SiC／Si02涂层 SiC与碳／碳复合材料有较好的物理化学相容性，是很好的阻挡层，玻璃质的SiO：在一定 温度下具有流动性，可以密封SiC涂层的裂纹起自愈合作用。SiC涂层的制备方法一般有三 种，即CVD法；包覆法或固渗法；浸硅法。以上三种方法均在不同的使用条件下得到了应用。 由于SiC与碳／碳复合材料有较好的物理和化学相容性，以及良好的工艺性，因而对这类涂层 系统研究的最为充分，也是最有希望的涂层系统。对该类涂层，西北工业大学、中科院沈阳金 属所、航天703所等单位均进行了大量研究。 (2)SiC／SiC／高温玻璃复合涂层 该涂层的结构为：SiC过渡层∥SiC阻挡层∥高温玻璃封填层，过渡层的制备工艺是液态 渗硅法，阻挡层的制备工艺是CVD法，封填层的制备工艺是液相反应生成法，过渡层的作用是 改善界面匹配程度，提高界面温度，阻挡层的作用是阻止氧扩散和碳逸出，封填层的作用是降 低裂纹生成温度和隔离原子氧。按照这种涂层结构制备的碳／碳长寿命涂层能在1600。C工作 168小时以上。 (3)MoSi：一SiC抗氧化涂层系统研究 MoSi2一SiC涂层系统的涂层工艺主要有包埋法和浸渗法。以金属硅和MoSi，等作为渗 料，在氩气保护下于1600℃一2000。G对碳／碳复合材料进行高温包渗处理。所得涂层由SiC和 MoSi：构成，涂层厚度控制在200～2501xm左右。 r／／—一 C一—一 -。7∞ l∞ l∞ Ⅻ U 图1 1650℃静态空气环境下两种涂层试样 n 5 lO lS ∞ ∞ 图2涂层试样在燃气环境下的 氧化氧失重曲线 在材料性能研究方面，因碳／碳复合材料的性能根据应用目标的不同有很大差异，如用于 飞机刹车材料，要求的拉伸和弯曲强度均低于100MPa，用于固体火箭发动机喉衬和喷管材 157 蛐主i啪啪啪轴。 毛_．弟48．“#-毫 ∞∞神∞。瑚m拼 ．．§-{_--j‘ 料，强度要求也低于100MPa，但对于航空发动机热端部件而言，对性能要求则高得多，“九五” 期间，西北工业大学达到的指标为393MPa，1700。C弯曲强度高达592MPa，所用增强纤维为 M40。用国产碳纤维增强的碳／碳复合材料性能也稳定在280MPa以上，这在国内外均极少见 到类似报道。 在计算机模拟方面，西北工业大学率先开展了碳／碳复合材料制备过程的计算机模拟研 究，图3给出了采用有限元法模拟的CVI制备工艺参数对预制体致密化进程的模拟结果。在 此基础上，创造性地将神经网络用于建立CVD—SiC涂层专家系统，现已取得初步结果(图 4)。目前正在进行应用模糊神经网络建立碳／碳复合材料CVI过程的专家系统的研究工作， 以便选择合理的工艺参数，对工艺参数实施并行优化，并对工艺过程包括致密速率和致密周期 等进行预测(图5)。由此不仅可以对碳／碳复合材料和抗氧化涂层制备工艺的关键工艺参数 如温度、压力、反应气的流动情况，致密化进展，内部孔隙分布状况等实现模拟，对工艺过程进 行合理设计和优化，而且可以达到减少试验环节，稳定产品质量，缩短致密化周期的目的，还可 以检验新的设计思想，分析一些由于经济原因或实验条件所限而难以进行的实验过程，因而它 对碳／碳复合材料CVI工艺的研究具有十分积极的意义。 a．100，J、时 b，500，J、时 图3有限元法模拟的CVI工艺的致密化进程 l 一-● { l ‘ fc，，F —≯-、] ‘一。’j 、1 { MTSⅡ10E妇 图4不同氢气流量条件下MTS流量 图5 CVI时间、温度与沉积密度的关系 对沉积厚度的影响 一：100ml／min；4：300mlYmin；X：600ml／min 158 濂屡厚度 图6碳／碳复合材料叶片样件 图7碳／碳复合材料调节片样件 图8碳／碳复合材料发动机内锥体 图9碳／碳复合材料喷管试验件 航空发动机热结构零件应用研究方面，西北工业大学已制备了二向和三向碳／碳复合材料 涡轮叶片样件(图6)、四向编织微型发动机尾喷管、调节片样件(图7)、高温保护套管、12A发 动机内锥体(图8)、缩口喷管(图9)等零件，部分零件已进行了试验台试验。 根据现在掌握的资料，我国的先进碳／碳复合材料研究在理论方面，如界面、沉积机理、计 算机模拟、材料性能等方面的研究还比较深入，某些方面达到了国际先进水平，但在工艺与应 用方面，与国外先进水平相比还有很大差距，主要体现在： (1)航空发动机热结构件应用方面落后，美国等已有多种制件在新型发动机上进行了充 分试车，有些已达到应用或技术储备阶段； (2)在材料体系和标准方面，美国、法国等均建立了自己的材料标准，有自己的材料系列。 在此方面，尽管我们早已认识到进行该方面研究的必要性，但由于经费等多方面原因，一直没 有开展专门的研究工作； (3)抗氧化涂层方面，针对静止空气环境的涂层研究进行得比较深入，但针对燃气和高速 冲刷环境的涂层研究差距较大，对于温度梯度、热应力、循环应力、高速粒子冲刷对涂层的影响 方面的研究，深度和广度均有差距。 (4)在设备条件和试验手段方面，尽管我们在对俄引进项目支持下引进了一些设备，但与 美国、法国，甚至与俄罗斯、乌克兰相比仍有巨大差距。 159 航空耐高温碳/碳复合材料发展现状和存在问题的研究 作者： 李贺军 作者单位： 西北工业大学 相似文献(0条) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_5301943.aspx 下载时间：2010年1月18日