- 碳碳复合材料
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碳碳复合材料
一、简介 C/C复合材料体系具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件、飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机的热端部件、高功率电子装置的散热装置和撑杆等方面。 二、应用领域 先进飞行器上的应用 导弹、载人飞船、航天飞机等，在再入环境时飞行器头部受到强激波，对头部产生很大的压力，其最苛刻部位温度可达2760 ℃，所以必须选择能够承受再入环境苛刻条件的材料。设计合理的鼻锥外形和选材，能使实际流入飞行器的能量仅为整个热量1%～10%左右。 对导弹的端头帽，也要求防热材料在再入环境中烧蚀量低，且烧蚀均匀对称，同时希望它具有吸波能力、抗核爆辐射性能和在全天候使用的性能。三维编织的C/C复合材料，其石墨化后的热导性足以满足弹头再入时由-160℃至气动加热时1700℃时的热冲击要求，可以预防弹头鼻锥的热应力过大引起的整体破坏；其低密度可提高导弹弹头射程，已在很多战略导弹弹头上得到应用。除了导弹的再入鼻锥，C/C 复合材料还可作热防护材料用于航天飞机（表1）。
表1 C/C复合材料在航天飞机上的应用 固体火箭发动机喷管上的应用 C/C 复合材料自上世纪70 年代首次作为固体火箭发动机(SRM)喉衬飞行成功以来，极大地推动了SRM 喷管材料的发展。喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基C/C复合材料，增强体多为整体针刺碳毡、多向编织等，并在表面涂覆SiC 以提高抗氧化性和抗冲蚀能力。美国在此方面的应用有:①“民兵-Ⅲ”导弹发动机第三级的喷管喉衬材料；②“北极星”A-7 发动机喷管的收敛段；③MX 导弹第三级发动机的可延伸出口锥(三维编织薄壁C/C复合材料制品)。俄罗斯用在潜地导弹发动机的喷管延伸锥(三维编织薄壁C/C 复合材料制品)。
表2 C/C复合材料在战略导弹上的应用 刹车领域的应用 C/C复合材料刹车盘的实验性研究于上世纪1973 年第一次用于飞机刹车。目前，一半以上的C/C复合材料用作飞机刹车装置。高性能刹车材料要求高比热容、高熔点以及高温下的强度,C/C复合材料正好适应了这一要求，制作的飞机刹车盘重量轻、耐温高、比热容比钢高2.5 倍；同金属刹车相比，可节省40%的结构重量。碳刹车盘的使用寿命是金属基的5～7倍，刹车力矩平稳，刹车时噪声小，因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步。 目前法国欧洲动力、碳工业等公司已批量生产C/C复合材料刹车片，英国邓禄普公司也已大量生产C/C复合材料刹车片，用于赛车、火车和战斗机的刹车材料。 C/C复合材料用作高温结构材料 由于C/C 复合材料的高温力学性能, 使之有可能成为工作温度1500~1700℃的航空发动机的理想材料, 有着潜在的发展前景。 涡轮发动机 C/C 复合材料在涡轮机及燃气系统(已成功地用于燃烧室、导管、阀门)中的静止件和转动件方面有着潜在的应用前景, 例如用于叶片和活塞, 可明显减轻重量, 提高燃烧室的温度, 大幅度提高热效率。 内燃发动机 C/C 复合材料因其密度低、优异的摩擦性能、热膨胀率低, 从而有利于控制活塞与汽缸之间的空隙,目前正在研究开发用其制活塞。 发热元件 与石墨发热体强度低脆, 加工运输困难相比, C/C复合材料强度高, 韧性好, 耐高温, 可减少发热体体积, 扩大工作区。 |
