耐烧蚀复合材料精简版

表 面 形成 一层 炭化 层 ，它 具有 致密 坚 硬 、与 内部
特 性 ，可 用 作 固体火 箭 发动 机 壳体 的 内绝 热层 ，
是航 天航 空 领域 必不 可 少 的高 性 能配套 材 料 。石 棉填 充弹 性体 是应 用 最广 的耐烧 蚀柔 性 绝 热层 材 料 。２ 世 纪７ 年代 研 制成 功 的芳 纶 纤维 ， 以其 高 Ｏ ０
强度 、高模 量 、低 密度 、耐 高温 、化 学 稳定 性好
从热化学的角度看，聚合物的热保护过程主
要分 为两 类 ：一是 聚合 物分解 、汽 化吸 热 ，即为
对 内层起 到有 效 的热 防护作 用 。防热 复合材 料 的 烧 蚀模 型如 图 １ 示 。 所
粒子云 两相流
边界层 炭化 区
反应层
原材料
图 １ 防 热 复合 材 料 的烧 蚀 模 型
对 聚合 物 而言 ，材 料 积聚 的热 量先 将 聚合 物 主链 上 的侧基 裂解 ， 进而 主链 上 的化 学键 也断 裂 ， 聚 合物 内部存 在着 主链 断 裂和 侧基 裂 解两 个竞 争 反应 。如 果前 者 占优 势 ，则材 料 主要 通过 分解 方 式吸 收大 量 的热 量 ；如果 后 者 占优 势 ，则 原 来 的 链 结构 将 以碳 的形 式保 留下来 ，此 时 ，会 在烧 蚀
升华 型耐 烧蚀 ：二 是聚合 物炭 化 、通 过再辐 射 散 热 ，即为 成碳 型耐烧 蚀 。在烧 蚀过 程 中 ，开 始受 热 时 ，材 料吸 收能 量并 向 内部 传导 ，但 是 由于材
料热 导率 很小 ，热量 来不及 扩 散 出去而集 中在 材 料 表面 ，使 表面温 度迅 速升 高 ，暴露 在高温 、 高
２ １． １ ０１ Ｎ０．

耐 点
击 此 处 添
烧 加
正 文 ，
蚀 文
字 是 您
复 思
想 的 提 炼
合 ，
请 言 简
材 意
赅 的 阐
料 述
您 的 观 点 。
一、概述
烧蚀放热是利用表面烧蚀材料在烧蚀过程中的热解放热、热解气 体的质量引射效应以及表面碳层的再辐射等一系列物理化学反应 带走大量的热量来保护构件。
烧蚀材料在高热流作用下，由于发生化学、物理状态和结构变化 而吸收热量，材料在贫氧条件下热解生成的多孔碳质残留物具有 良好的隔热性能，且在炽热状态时具有很高的表面红外辐射系数， 可通过辐射作用将大部分热量辐射出去，从而延缓热能向内部传 导，保护了构件在工作过程中不至受到热损伤。
树脂基耐烧蚀复合材料的成型工艺多为模 压及布带缠绕，层压及花瓣铺展也有少量 应用，近年来在RTM工艺方面的研究也有很 大的进展，模压工艺多用纤维模压与碎布 模压。布带缠绕由于技术成熟、工艺简单、 生产周期短、成本低廉而得到了广泛的应 用。
四、固体火箭发动机喷管上的应用
1
根据喷管在发动机工作期间的受热分析和所用材料 的功能，喷管材料大致可分为四类：
四．碳/碳复合材料
基体材料为气相沉积碳或液体浸渍热解碳，增强材料为碳布、碳毡或碳纤维 多维编织物，该材料具有多种优点：高温条件下强度高；耐含固体颗粒的气 流冲刷；热膨胀系数小；热导率低等。碳/碳复合材料可用于喷管内型面的 各个部位，且不需要支撑结构，因此可使喷管结构大大简化，实现质轻、高 效率和高可靠性。
碳基烧蚀复合材料
01 主要有碳/碳复合材料，属于升华型烧蚀材 料;
02
陶瓷基烧蚀复合材料
主要有碳/石英烧蚀材料，属于熔化-升华 型烧蚀复合材料。

Foundation item:National Natural Science Foundation of China(51405522) . Corresponding author:SUN Wei,Ph. D,Research Associate Professor. E鄄mail:sunweimse@ csu. edu. cn Author introduction: PENG Zheng, Master Student. E鄄mail:360272308@ qq. com
彭摇 峥,摇 孙摇 威,摇 熊摇 翔,摇 陈招科,摇 王雅雷,摇 徐永龙
( 中南大学 粉末冶金国家重点实验室,湖南 长沙 410083)
摘摇 要:摇 结合低压等离子喷涂和料浆法,在 C / C鄄ZrC鄄SiC 复合材料表面制备新型多元氧化物鄄碳化物复合陶瓷涂层,并通过
掺杂过渡元素 Cr 来提升涂层整体热稳定性能。 采用 XRD 和 SEM 等手段分析复合涂层的相组成和微观结构,并研究所制复
蚀后样品表面形成了独特稳定的复合多元氧化物防护结构,其高熔点 ZrO2 骨架,Al1. 96 Cr0. 04 O3 鄄SiO2 熔融相弥合其中的连续结 构赋予了复合材料较好的抗烧蚀能力。
关键词:摇 C / C鄄ZrC鄄SiC;Al1. 92 Cr0. 08 O3 鄄SiC鄄ZrC;陶瓷涂层;烧蚀
中图分类号: 摇 TB332
( State key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: 摇 A novel oxide鄄carbide coating system was achieved on a C / C鄄ZrC鄄SiC composite surface by low鄄pressure plasma spra鄄 ying and a slurry method, with Cr doping to improve the thermal stability of the coating. The phase compositions and microstructure characteristics of composites were characterized by XRD, SEM and EDS. The ablation properties were tested in an oxy鄄acetylene environment at temperatures up to 2500 益 for 120 s. The results show that the C / C鄄ZrC鄄SiC substrate coated with the Al1. 92 Cr0. 08 O3 鄄SiC鄄ZrC coating exhibits a significant improvement in ablation resistance, with the mass and linear ablation rates decreased by 66% and 76% respectively. This is caused by the highly dense and stable protective structure formed during ablation. The pinning effect of the ZrO2 phase and the thermal鄄stability efficiency of Cr2 O3 provide and explanation for the reduction of the volatilization of SiO2 and Al2 O3 at high temperature. Continuous and robust multi鄄oxide scales on the surface comprised of ZrO2 grain skeletons and molten Al1. 96 Cr0. 04 O3 鄄SiO2 cause the superior anti鄄ablation property. Key words:摇 C / C鄄ZrC鄄SiC;Al1. 92 Cr0. 08 O3 鄄SiC鄄ZrC;Ceramic coating;Ablation

要求
４ ． ６ 模具加热、 抽真空 打开干 燥箱电源， 对 模具加热至９ ０ ， Ｃ ， 保温 １ 小时 将模具进料口的阀门关闭， 打开出料口 阀门． 开动真空泵， 模具的真空度达到一 。 ． ｌ Ｍ Ｐ ａ
（ 表值 ）
４ ． １ ２ 卸模， 脱模，制品修整 固化完成后． 使模具自 然冷却， 卸掉加紧 装 置， 取出制品，如果制品出 现表面缺胶的现象，
要主题词 复合对料 成来自工艺 检测１ 引言高、 孔隙率低 〔 ０ － ０ ． ２ ％） 、 力学性能好 之 能成为
第一承载结构 ） 、耐烧蚀等特点
Ｒ Ｔ Ｍ 是树脂传递模塑工艺英文名称的缩写
（ Ｒ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ Ｍ ｏ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ － Ｒ Ｔ Ｍ） 一般指 在模 具的
４ Ｒ Ｔ Ｍ 工艺过程
４ ． ３ 增强体铺放 增强体铺放是将纤维增强体装人模具中的过 程， 由 于增强体的尺寸稍大于Ｒ Ｔ Ｍ模具的型腔尺 寸， 故在增强体铺放时要保证增强体尽可能与模 具型腔贴合， 同时纤维束平整， 不起皱， 不串动 在合模时， 要将增强体按平，以防止 模具卡住纤
钢材料制造
图 Ｉ Ｒ Ｔ Ｍ 成型工艺主要设备
收稿Ｇ 期 ２ ０ ０ ２ － ０ ６ － １ ５
一 一一一一－一一甲，￣侧￣￣￣一一－￣￣
硫 天袍造杖术
２ ０ ０ ２ 年 ｓ月第４ 期
３ Ｒ Ｔ Ｍ 工艺参数分析
３ ． １ 树脂选择 适合 Ｒ Ｔ Ｍ 成型工艺的树脂体系的基本要求 为： ①在注胶温度下 树脂具 有较低的粘度， 对纤 维增强体浸润性好： ②树脂在注胶温度下有足够 的凝胶时间以 保证树脂能完全通过模具并浸润纤
注胶压力
３ ２ 注胶温度 注胶温度即 树脂在注人模具之前， 对树脂、 模具加热 这是一个十分重 要的工艺参数， 其目 的是： ①使树脂粘度降低，以最小的注胶压力使 纤维获 得充分的浸润； ②增加树脂的反应活性。 Ｒ Ｔ Ｍ 工艺注胶温度的确定要结合树脂体系 浸润特性、 反应活性、注胶周期、 凝胶时间特性 和粘度特性共同考虑，但主要取决于树脂体系的 活性期和最小粘度温度 Ｒ Ｔ Ｍ成型工艺要求树脂 在凝胶之前能够完全渗透编织体， 完成注射周期 每一种树脂体系都有特定的粘度一温度关系， 凝 胶时间一温度关系 反应活性一温度关系曲 线， 我们可以 通过试验得到这些曲 线图， 确定出合理 的注胶温度 通过实验发现氨酚醛树脂在注胶温 度８ ０ － ９ ０ ℃时， 其粘度较低， 对纤维的浸润性较 好，同时不会太大缩短树脂的凝胶时间。一般说