浅谈碳碳复合材料及其的运用

     高性能发动机的喷管出口锥也逐渐趋向于使用碳/碳材料,可延伸锥则基本上都使用碳/碳材料,多数是以人造丝为前驱体的2D 碳/碳,典型的发动机是美国的“星”系列上面级,已进行了数百次实际飞行。这种编织物层间剪切强度低,与喉衬间要通过3D 碳/碳连接件进行连接,并由3D 碳/碳件提供所需的刚度。

    降低成本是碳/碳材料普及应用的一个重要因素,主要是致密工艺的改进。目前已开发的强制热梯度化学气相渗透工艺、快速致密工艺、等离子气相沉积工艺,以及使用新型高残碳率树脂前驱体等均显示了较好的效果。此外,降低成本还可以从提高工艺质量入手,美国大湖复合材料财团通过精确控制预制增强件的碳棒直径,使固体发动机碳/ 碳喷管编织工艺时间缩短11% ,成本降低15%～20%。

   整体式喉衬----入口段组件(ITE) ,继后还开发了整体式喉衬----出口锥组件(ITEC) 。当前先进的碳/ 碳喉衬密度为1.87g/cm3～1.97g/cm3 ; 环向拉伸强度75 MPa～115MPa ;烧蚀率取决于燃烧室压强及推进剂等因素,一级发动机烧蚀率范围为0.20 mm/s～0.34 mm/s ,二级发动机为0.13 mm/s～0.19 mm/s ,三级发动机为0. 08 mm/ s～0.13 mm/s。大部分喉衬预制增强件采用3D 和4D 编织成型,由微机控制的自动织机完成,精度已相当高。美国主要使用3D 编织碳/ 碳,用软编织或混合编织法成型,法国则比较多使用4D碳/ 碳,刚性棒编织,各束互成夹角70. 5°,纤维体积分数可达68% ,因此性能更高些。 

 
碳/碳复合材料展望

   C/C复合材料自20 世纪60 年代发明以来，就受到军事、航空航天、核能以及许多民用工业领域的极大关注。然而，由于C/C复合材料制造工艺复杂、技术难度大，原材料价格昂贵，产品成本长期居高不下，其用途仍然限制在一些工作条件苛刻的部位，以及其它材料不能替代的航空航天和军事领域。目前在C/C复合材料研究领域，最需要解决的问题是：研究高效、低成本、快速制备工艺方法；研究能在1 800℃以上长期使用的抗氧化涂层；研究高性能耐烧蚀C/C复合材料并应用于固体火箭喉衬材料；改进C/C合材料的摩擦磨损性能，使之更加满足于刹车材料的应用。更多碳碳复合材料信息可查看http://www.jasencc.com