高比沖空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室用C-SiC復(fù)合材料服役特性及其優(yōu)化研究.pdf

1、高比沖空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代航天推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的重要方向，高性能發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室材料是高比沖空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的核心關(guān)鍵。
　　C/SiC復(fù)合材料以其低密度、高強(qiáng)度、抗氧化、耐燒蝕等優(yōu)點(diǎn)成為高比沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室最具潛力的候選材料之一。目前國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的C/SiC復(fù)合材料已成功應(yīng)用于武器系統(tǒng)輕小型、快響應(yīng)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。與輕小型、快響應(yīng)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)相比，高比沖空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度更高、工作時(shí)間更長(zhǎng)，且需長(zhǎng)時(shí)間空間服役，這對(duì)

2、燃燒室材料提出了更為苛刻的要求。為推動(dòng)C/SiC復(fù)合材料在高比沖空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，本文針對(duì)高比沖空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的服役環(huán)境，開展了C/SiC復(fù)合材料服役特性及優(yōu)化研究。
　　C/SiC復(fù)合材料應(yīng)用于高比沖軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室將面臨宇宙空間環(huán)境（簡(jiǎn)稱空間環(huán)境）和發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境的考驗(yàn)。本文參照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)地面模擬試驗(yàn)，具體包括高真空、超低溫、冷熱交變、冷熱交變及振動(dòng)耦合、原子氧及紫外輻照等環(huán)境試驗(yàn)，系統(tǒng)的研究了C/SiC復(fù)

3、合材料在空間環(huán)境中的服役特性。研究結(jié)果表明：C/SiC復(fù)合材料在空間環(huán)境中組成、結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定。C/SiC復(fù)合材料在10-7Pa的真空環(huán)境中保存24h，其質(zhì)量和力學(xué)性能沒(méi)有明顯變化；經(jīng)-196℃環(huán)境儲(chǔ)存60天，或經(jīng)-196℃～200℃冷熱交變100次后，C/SiC復(fù)合材料力學(xué)性能無(wú)明顯變化；經(jīng)-100℃～180℃的冷熱交變及加速度達(dá)40g的隨機(jī)振動(dòng)耦合環(huán)境考核，由于材料內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力得到釋放，C/SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度提高了約20％；

4、在通量達(dá)9.6×1015(cm2·s)-1、粒子能量達(dá)5eV的原子氧環(huán)境中暴露15h，C/SiC復(fù)合材料表面有輕微氧化，但力學(xué)性能沒(méi)有明顯變化；在波長(zhǎng)為100～150nm、輻照度為0.75W/m2的紫外輻照環(huán)境中暴露15h，C/SiC復(fù)合材料的組成、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能沒(méi)有發(fā)生明顯變化。
　　C/SiC復(fù)合材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室材料，具備良好的耐熱性能是其實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的前提。本文首先針對(duì)高比沖空間發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁溫高達(dá)1800℃的高溫?zé)岘h(huán)境，

5、研究了C/SiC復(fù)合材料在1800℃下的耐熱特性，并針對(duì)材料耐熱性能的不足，從降低碳纖維活性及纖維表面保護(hù)涂層等方面入手，開展了C/SiC復(fù)合材料耐熱性能優(yōu)化研究。研究結(jié)果表明：經(jīng)1800℃熱處理1小時(shí)后，C/SiC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度不足原始強(qiáng)度的20%，材料耐熱性能不足的主要原因是在1600℃以上高溫環(huán)境中碳纖維與基體中的氧化物雜質(zhì)發(fā)生碳熱還原反應(yīng)而嚴(yán)重受損，進(jìn)而導(dǎo)致C/SiC復(fù)合材料強(qiáng)度大幅下降。對(duì)比了T300和T1000兩組碳纖維增

6、強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料的耐熱特性，T1000纖維雖然活性較低，但并不能減緩高溫下基體中氧化物雜質(zhì)對(duì)纖維的侵蝕，兩組復(fù)合材料均表現(xiàn)出較差的耐熱性能。碳纖維表面沉積SiC涂層未能有效改善材料的耐熱性能，SiC涂層與碳纖維的膨脹系數(shù)存在明顯差異，涂層中存在大量的微裂紋，微裂紋的存在延續(xù)了基體中氧化物雜質(zhì)對(duì)碳纖維的侵蝕。碳纖維表面沉積碳涂層可顯著改善C/SiC復(fù)合材料的耐熱性能，碳涂層發(fā)揮了阻擋層和犧牲層的作用。碳涂層保護(hù)的C/SiC復(fù)合材料經(jīng)

7、1800℃熱處理1小時(shí)后，彎曲強(qiáng)度為270MPa，其強(qiáng)度保留率從無(wú)纖維涂層樣品的不足20%提高到70%。
　　發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境是指發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作時(shí)產(chǎn)生的高溫、高壓、高速、腐蝕性氣體環(huán)境。本文研究了C/SiC復(fù)合材料在高比沖空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境中的氧化燒蝕特性。以四氧化二氮和甲基肼為氧化劑和燃料，氧燃比為1.65，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力為1.0MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庵行臏囟燃s3100K，燃燒室內(nèi)壁約1800℃，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)工作373s后，C/S

8、iC復(fù)合材料燃燒室喉部氧化燒蝕嚴(yán)重，喉徑擴(kuò)張率達(dá)到4%。C/SiC復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境中的氧化燒蝕表現(xiàn)為氧化/揮發(fā)與機(jī)械沖刷并存的模式。燃?xì)獾臒峄瘜W(xué)氧化以水汽氧化為主，1800℃下SiC基體被迅速氧化為液態(tài)SiO2和氣態(tài)的SiO和Si(OH)4，在高速氣流作用下液態(tài)產(chǎn)物和氣態(tài)產(chǎn)物都瞬間流失；失去SiC基體的保護(hù)，碳纖維在被水汽氧化的同時(shí)，還受到高速熱氣流嚴(yán)重地機(jī)械沖刷。為提高C/SiC復(fù)合材料在燃?xì)猸h(huán)境中的抗氧化燒蝕性能，設(shè)計(jì)了在材

9、料表面以化學(xué)氣相沉積工藝制備超高溫 ZrC陶瓷涂層的優(yōu)化方案。ZrC及其氧化物ZrO2熔點(diǎn)分別達(dá)到3420℃和2677℃，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，ZrC涂層氧化生成的ZrO2能夠牢固附著在材料表面，ZrO2的存在一方面可抑制底層SiC基體的氧化燒蝕，另一方面SiC基體氧化形成的液態(tài)SiO2，可進(jìn)入ZrO2的裂紋，形成具有良好抗氧化燒蝕特性的ZrO2-SiO2復(fù)相玻璃防護(hù)層。
　　設(shè)計(jì)了ZrC的CVD沉積系統(tǒng)，采用螺旋送粉器實(shí)現(xiàn)了鋯源的精確供

10、應(yīng)，確認(rèn)了有效沉積區(qū)在恒溫區(qū)zone3的位置。優(yōu)化了CVD ZrC涂層的組成及結(jié)構(gòu)，并對(duì)優(yōu)化后ZrC涂層的本征性能進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)在1500℃,40kPa下，源氣中C/Zr比為1:1時(shí)能夠得到致密、均勻、純度較高且沉積速率較快的ZrC涂層。ZrC涂層的顯微維氏硬度為22.7GPa，納米壓痕硬度為25.3GPa，彈性模量為327GPa，斷裂韌性為0.88MPa·m1/2。涂層與C/SiC復(fù)合材料、石墨以及CVD SiC的結(jié)合強(qiáng)度分別為

11、5.2、4.5和1.5MPa。研究了ZrC涂層組成結(jié)構(gòu)的高溫演變，發(fā)現(xiàn)ZrC涂層中存在的微量ZrO2高溫下能夠進(jìn)一步與無(wú)定形碳發(fā)生碳熱還原反應(yīng)，涂層中碳、氧含量下降。隨著處理溫度的升高，ZrC晶體逐漸趨向于比表面能最低的(111)晶面生長(zhǎng)，同時(shí) ZrC涂層表面逐漸呈現(xiàn)層狀臺(tái)階形貌，表現(xiàn)出二維形核臺(tái)階側(cè)向生長(zhǎng)特征。
　　氧乙炔焰能夠較好的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境。本文采用氧乙炔焰模擬考核了ZrC涂層對(duì)C/SiC復(fù)合材料抗氧化燒蝕性能的優(yōu)化