第3期 李翠云等:碳碳复合材料的应用研究进展 19· 热冲击能力很强,不仅可用于高温环境,而且适合温 表1美国CC复合材料在战略导弹上的应用 度急剧变化的场合。其比热容高,这对于飞机刹车 导弹型号使用部位 材料结构使用军种 等需要吸收大量能量的应用场合非常有利 民兵Ⅲ号MK12A鼻锥细编穿刺C/C复合材料空军 C/C复合材料是一种升华辐射型烧蚀材料,且 3DC/C复合材料 MK21型鼻锥 烧蚀均匀。通过表层材料的烧蚀带走大量的热,可 M 或细编穿刺品 空军 阻止热流传入飞行器内部。因此该材料被广泛用作 发动机喷管喉衬3DCC复合材料 宇航领域中的烧蚀防热材料。 MK21型鼻锥 3DC/C复合材料 SICBM 或细编穿刺品 1.4摩擦磨损性能 发动机喷管喉衬3DCC复合材料 C/C复合材料中碳纤维的微观组织为乱层石墨 3DC/C复合材料 结构,其摩擦系数比石墨高,特别是它的高温性能特 MK5型鼻锥 三叉戟1号 或4DC/C复合材料 点,在高速高能量条件下摩擦升温高达1000℃以上 发动机喷管喉衬3DC/C复合材料海军 时,其摩擦性能仍然保持平稳,这是其它材料所不具 卫兵反弹道导弹鼻锥3DCC复合材料 陆军 备的。因此,CC复合材料作为军用和民用飞机的 SPI反弹道导弹鼻锥 DC/C复合材料 刹车盘材料越来越广泛 表2CC复合材料在航天飞机上的应用 2CC复合材料的应用 国家飞机名称使用区域 世界各国均把CC复合材料用作导弹及先进 最高温区αC复合材料薄壳热结构抗氧化,防热 飞行器高温区的主要热结构材料,随着材料性能 防热瓦CC复合材料机头锥抗氧化,防热 不断改进,其应用领域逐渐拓宽 CC复合材料薄壁热结构抗氧化,防热 2.1先进飞行器上的应用 超音速)较高温区CC复合材料面板抗氧化,防热 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 前苏联BPH 最高温区C复合材料结构防热瓦抗氧化,防热 最苛刻部位温度可达2760℃,所以必须选择能够承 洲 Hermes最高温区aC复合材料薄壳热结构抗氧化,防热 受再入环境苛刻条件的材料。设计合理的鼻锥外 最高温区CC复合材料薄壳热结构抗氧化防热 和选材,能使实际流入飞行器的能量仅为整个热量 日本 Hope 较高温区CC复合材料支座式面板抗氧化,防热 1%~10%左右121 最高温区αC复合材料薄壳热结构抗氧化,防热 对导弹的端头帽,也要求防热材料在再入环境 英国Hote 较高温区CC复合材料面板抗氧化,防热 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 喉衬部一般采用多维编织的高密度沥青基CC 维编织的C/C复合材料,其石墨化后的热导性足以 复合材料,增强体多为整体针刺碳毡、多向编织等,并 满足弹头再入时由-160℃至气动加热时1700℃时在表面涂覆SC以提高抗氧化性和抗冲蚀能力1 的热冲击要求,可以预防弹头鼻锥的热应力过大引 美国在此方面的应用有:①“民兵Ⅲ导弹发动 起的整体破坏;其低密度可提高导弹弹头射程,已在机第三级的喷管喉衬材料;②“北极星”A-7发动机 很多战略导弹弹头上得到应用(见表1)。除了导喷管的收敛段;③MX导弹第三级发动机的可延伸 弹的再入鼻锥,CC复合材料还可作热防护材料用出口锥(三维编织薄壁CC复合材料制品)。俄罗 于航天飞机(见表2) 斯用在潜地导弹发动机的喷管延伸锥(三维编织薄 2.2固体火箭发动机喷管上的应用 壁C/C复合材料制品) C/C复合材料自上世纪70年代首次作为固体2.3刹车领域的应用 火箭发动机(SRM)喉衬飞行成功以来,极大地推动 C/C复合材料刹车盘的实验性研究于上世纪 了SRM喷管材料的发展。采用CC复合材料的喉1973年第一次用于飞机刹车。目前 衬、扩张段、延伸出口锥,具有极低的烧蚀率和良好C复合材料用作飞机刹车装置。高性能刹车材料要 的烧蚀轮廓,可提高喷管效率1%~3%,即可大大求高比热容、高熔点以及高温下的强度,C/C复合材 提高了SRM的比冲 料正好适应了这一要求,制作的飞机刹车盘重量轻、 201994-2010ChinaAcademicjOurmalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net第 3 期 李翠云等 :碳/ 碳复合材料的应用研究进展 热冲击能力很强 ,不仅可用于高温环境 ,而且适合温 度急剧变化的场合。其比热容高 ,这对于飞机刹车 等需要吸收大量能量的应用场合非常有利。 C/ C 复合材料是一种升华2辐射型烧蚀材料 ,且 烧蚀均匀。通过表层材料的烧蚀带走大量的热 ,可 阻止热流传入飞行器内部。因此该材料被广泛用作 宇航领域中的烧蚀防热材料。 1. 4 摩擦磨损性能 C/ C 复合材料中碳纤维的微观组织为乱层石墨 结构 ,其摩擦系数比石墨高 ,特别是它的高温性能特 点 ,在高速高能量条件下摩擦升温高达 1000 ℃以上 时 ,其摩擦性能仍然保持平稳 ,这是其它材料所不具 备的。因此 ,C/ C 复合材料作为军用和民用飞机的 刹车盘材料越来越广泛。 2 C/ C复合材料的应用 世界各国均把 C/ C 复合材料用作导弹及先进 飞行器高温区的主要热结构材料 ,随着材料性能的 不断改进 ,其应用领域逐渐拓宽。 2. 1 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[2 ] 。 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[3 ] (见表 1) 。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(见表 2) 。 2. 2 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。采用 C/ C 复合材料的喉 衬、扩张段、延伸出口锥 ,具有极低的烧蚀率和良好 的烧蚀轮廓 ,可提高喷管效率 1 %～3 % ,即可大大 提高了 SRM 的比冲[4 ] 。 表 1 美国 C/ C复合材料在战略导弹上的应用 导弹型号 使用部位 材料结构 使用军种 民兵 III 号 M K212A 鼻锥 细编穿刺 C/ C 复合材料 空军 MX M K221 型鼻锥 3DC/ C 复合材料 或细编穿刺品 空军 发动机喷管喉衬 3DC/ C 复合材料 空军 SICBM M K221 型鼻锥 3DC/ C 复合材料 或细编穿刺品 空军 发动机喷管喉衬 3DC/ C 复合材料 空军 三叉戟 I 号 M K25 型鼻锥 3DC/ C 复合材料 或 4DC/ C 复合材料 海军 发动机喷管喉衬 3DC/ C 复合材料 海军 卫兵 反弹道导弹鼻锥 3DC/ C 复合材料 陆军 SPI 反弹道导弹鼻锥 3DC/ C 复合材料 陆军 表 2 C/ C复合材料在航天飞机上的应用 国家 飞机名称使用区域 具体部件 功能 美国 Shuttle 最高温区 C/ C复合材料薄壳热结构 抗氧化 ,防热 较高温区 防热瓦 C/ C复合材料机头锥 抗氧化 ,防热 NASP (超音速) 最高温区 C/ C复合材料薄壁热结构 抗氧化 ,防热 较高温区 C/ C复合材料面板 抗氧化 ,防热 前苏联 BypaH (暴风雪) 最高温区 C/ C复合材料结构防热瓦 抗氧化 ,防热 欧洲 Hermes 最高温区 C/ C复合材料薄壳热结构 抗氧化 ,防热 日本 Hope 最高温区 C/ C复合材料薄壳热结构 抗氧化 ,防热 较高温区 C/ C复合材料支座式面板 抗氧化 ,防热 英国 Hotel 最高温区 C/ C复合材料薄壳热结构 抗氧化 ,防热 较高温区 C/ C复合材料面板 抗氧化 ,防热 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[5 ,6 ] 。 美国在此方面的应用有 : ①“民兵2Ⅲ”导弹发动 机第三级的喷管喉衬材料 ; ②“北极星”A27 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) 。 2. 3 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、 ·19 ·