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碳碳复合材料是火箭喷管最理想的材料

      由于碳/酚醛复合材料具有生产周期短、 制造成低、 性能适中等特点,是目 前固体发动机喷管烧蚀防热材料中广泛使用的材料之一, 主要用在如喷管扩张段一类受热流强度较低的部件上; 又因其价格低廉, 甚至在美国航天飞机助推器的喷管喉衬上也使用碳/酚醛材料。 国外典型的碳/酚醛材料有 FM5055、 MX4957A 等牌号, 所用酚醛树脂多以 Ba(OH)2、 NH4OH 等为催化剂合成。 酚醛树酯虽耐烧蚀性优良, 但重现性不好, 烧蚀可预示性差。[6]为了达到更好的性能和适用性,目 前又提出了对酚醛树脂的改性和替代材料的试验性研究两个途径。  

     表1列出了常用喉衬  美国宇航公司用 T300 和 PAA 制作的复合材料试件。 室温下层间拉伸强度为 5.3MPa, 400℃时降为 1.4MPa; 标准碳/酚醛(FM5055)制作的室温层间拉伸强度仅为 4.2MPa; 260e 时已下降到 0.3MPa。 我国华东理工大学已能制备出应用于航天领域的耐烧蚀 PAA 树脂, 树脂成碳率达 85%。 航天四院 43 所进行了聚芳基乙炔树脂成碳率、 复合工艺性能、 力学性能等方面的探索性研究, 试验表明, 碳/聚芳基乙炔复合材料成碳率、 耐烧蚀性能远远优于迄今已应用的碳/酚醛复合材料。 目 前存在的主要问题是 PAA 的多苯环结构所引起基体性脆以及 PAA 与碳布浸润性差带来的复合材料层间力学性能不佳。材料的性能参数, 对比可知, C/ C复合材料乃首选。 钨渗铜(银)是利用高温下铜或银发汗冷却的效果, 把钨的抗烧蚀性能提高到一个新的水平。 钨渗铜可在总温高达3590℃的两相流中长期工作, 不过, 其机械强度会随着温度的升高而逐步下降。 此外,还有两个缺点:一是密度大,使其在大型发动机的应用受到限制;二是导热系数大, 容易产生A10沉积, 尤其是对小发动机喷管。 C/C复合材料导热系数较低, 用它作为喉衬, 不像钨渗铜喉衬那样容易形成厚的A1O沉积层, 具有沉积小、 效率高的优点。 与石墨的性质相似, C/ C复合材料的机械强度随温度的升高而升高, 当温度升到1930℃~ 2480℃时, 其强度最高。 

     石墨材料由于抗热震性能差, 通常只用在工作时间较短的中小型发动机上, C/ C复合材料则无此之忧。[5、 7]表一碳碳复合材料具有优异的综合性能,是迄今为止用于固体火箭发动机喷管的最理想的烧蚀结构材料。 国内外管用树脂基防热材料的发展经历大致相同, 从玻璃/酚醛、 高硅氧/酚醛碳/酚醛、 碳/聚芳基乙炔, 从单功能到多功能、 低性能到高性能, 树脂体系经历了从酚醛树脂、 改性酚醛树脂到高性能树脂。目 前对聚苯并咪唑、 聚喹口恶啉、 聚苯并唑、 聚苯并噻唑、 聚芳基乙炔等高性能树脂的应用研究已成为热点,是树脂基防热材料发展的方向。

      酚醛树脂典型的改性途径有共聚改性, 包括引进氰基、 硼元素、芳环有机硅, 以及采用二醚甲醛树脂、 芳烷基甲醛树脂改性等; 如氰基酚醛树脂的热氧化稳定性明显提高,分解温度达 440℃,1000℃下的产炭率达 68%~70%。 为了使酚醛树酯获得更高性能, 我国广大科技工作者在酚醛树脂改性方面做了大量的研究工作,相继开发了硼酚醛、 钼酚醛、 高成碳酚醛等新型酚醛树脂。[3]聚芳基乙炔(PAA)是一种最有可能取代酚醛树脂作为烧蚀防热材料基体的树脂。 

     它是一种仅含碳元素和氢元素的高度交联的芳族亚苯基聚合物,由二乙炔基苯和苯乙炔聚合而成。理论成炭率高达 90%;聚合时无低分子副产物逸出; 树脂吸水率极低, 仅为 0.1%~0.2%,远远低于酚醛树脂的 5%~10%。PAA 最主要的优点是玻璃化温度极高, 烧蚀重现性好, 高温力学性能保持率高。

     

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