碳碳復(fù)合材料

一、簡介

C/C復(fù)合材料體系具有高強(qiáng)高模、比重輕、熱膨脹系數(shù)小、抗腐蝕、抗熱沖擊、耐摩擦性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能廣泛用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、飛機(jī)及賽車的剎車裝置、熱元件和機(jī)械緊固件、熱交換器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件、高功率電子裝置的散熱裝置和撐桿等方面。

二、應(yīng)用領(lǐng)域

先進(jìn)飛行器上的應(yīng)用

導(dǎo)彈、載人飛船、航天飛機(jī)等，在再入環(huán)境時(shí)飛行器頭部受到強(qiáng)激波，對(duì)頭部產(chǎn)生很大的壓力，其最苛刻部位溫度可達(dá)2760 ℃，所以必須選擇能夠承受再入環(huán)境苛刻條件的材料。設(shè)計(jì)合理的鼻錐外形和選材，能使實(shí)際流入飛行器的能量僅為整個(gè)熱量1%～10%左右。

對(duì)導(dǎo)彈的端頭帽，也要求防熱材料在再入環(huán)境中燒蝕量低，且燒蝕均勻?qū)ΨQ，同時(shí)希望它具有吸波能力、抗核爆輻射性能和在全天候使用的性能。三維編織的C/C復(fù)合材料，其石墨化后的熱導(dǎo)性足以滿足彈頭再入時(shí)由-160℃至氣動(dòng)加熱時(shí)1700℃時(shí)的熱沖擊要求，可以預(yù)防彈頭鼻錐的熱應(yīng)力過大引起的整體破壞；其低密度可提高導(dǎo)彈彈頭射程，已在很多戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭上得到應(yīng)用。除了導(dǎo)彈的再入鼻錐，C/C 復(fù)合材料還可作熱防護(hù)材料用于航天飛機(jī)（表1）。

表1 C/C復(fù)合材料在航天飛機(jī)上的應(yīng)用

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上的應(yīng)用

C/C 復(fù)合材料自上世紀(jì)70 年代首次作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SRM)喉襯飛行成功以來，極大地推動(dòng)了SRM 噴管材料的發(fā)展。喉襯部一般采用多維編織的高密度瀝青基C/C復(fù)合材料，增強(qiáng)體多為整體針刺碳?xì)?、多向編織等，并在表面涂覆SiC 以提高抗氧化性和抗沖蝕能力。美國在此方面的應(yīng)用有:①“民兵-Ⅲ”導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)第三級(jí)的噴管喉襯材料；②“北極星”A-7 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的收斂段；③MX 導(dǎo)彈第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的可延伸出口錐(三維編織薄壁C/C復(fù)合材料制品)。俄羅斯用在潛地導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管延伸錐(三維編織薄壁C/C 復(fù)合材料制品)。

表2 C/C復(fù)合材料在戰(zhàn)略導(dǎo)彈上的應(yīng)用

剎車領(lǐng)域的應(yīng)用

C/C復(fù)合材料剎車盤的實(shí)驗(yàn)性研究于上世紀(jì)1973 年第一次用于飛機(jī)剎車。目前，一半以上的C/C復(fù)合材料用作飛機(jī)剎車裝置。高性能剎車材料要求高比熱容、高熔點(diǎn)以及高溫下的強(qiáng)度,C/C復(fù)合材料正好適應(yīng)了這一要求，制作的飛機(jī)剎車盤重量輕、耐溫高、比熱容比鋼高2.5 倍；同金屬剎車相比，可節(jié)省40%的結(jié)構(gòu)重量。碳剎車盤的使用壽命是金屬基的5～7倍，剎車力矩平穩(wěn)，剎車時(shí)噪聲小，因此碳剎車盤的問世被認(rèn)為是剎車材料發(fā)展史上的一次重大的技術(shù)進(jìn)步。

目前法國歐洲動(dòng)力、碳工業(yè)等公司已批量生產(chǎn)C/C復(fù)合材料剎車片，英國鄧祿普公司也已大量生產(chǎn)C/C復(fù)合材料剎車片，用于賽車、火車和戰(zhàn)斗機(jī)的剎車材料。

C/C復(fù)合材料用作高溫結(jié)構(gòu)材料

由于C/C 復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能, 使之有可能成為工作溫度1500~1700℃的航空發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料, 有著潛在的發(fā)展前景。

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

C/C 復(fù)合材料在渦輪機(jī)及燃?xì)庀到y(tǒng)(已成功地用于燃燒室、導(dǎo)管、閥門)中的靜止件和轉(zhuǎn)動(dòng)件方面有著潛在的應(yīng)用前景, 例如用于葉片和活塞, 可明顯減輕重量, 提高燃燒室的溫度, 大幅度提高熱效率。

內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)

C/C 復(fù)合材料因其密度低、優(yōu)異的摩擦性能、熱膨脹率低, 從而有利于控制活塞與汽缸之間的空隙,目前正在研究開發(fā)用其制活塞。

發(fā)熱元件

與石墨發(fā)熱體強(qiáng)度低脆, 加工運(yùn)輸困難相比, C/C復(fù)合材料強(qiáng)度高, 韌性好, 耐高溫, 可減少發(fā)熱體體積, 擴(kuò)大工作區(qū)。