高比沖空間軌控發(fā)動機燃燒室用C-SiC復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)動機技術是現(xiàn)代航天推進技術發(fā)展的重要方向，高性能發(fā)動機燃燒室材料是高比沖空間軌控發(fā)動機發(fā)展的核心關鍵。
　　C/SiC復合材料以其低密度、高強度、抗氧化、耐燒蝕等優(yōu)點成為高比沖發(fā)動機燃燒室最具潛力的候選材料之一。目前國防科學技術大學研制的C/SiC復合材料已成功應用于武器系統(tǒng)輕小型、快響應姿軌控發(fā)動機燃燒室。與輕小型、快響應姿軌控發(fā)動機相比，高比沖空間軌控發(fā)動機的工作溫度更高、工作時間更長，且需長時間空間服役，這對

2、燃燒室材料提出了更為苛刻的要求。為推動C/SiC復合材料在高比沖空間軌控發(fā)動機中的應用，本文針對高比沖空間軌控發(fā)動機燃燒室的服役環(huán)境，開展了C/SiC復合材料服役特性及優(yōu)化研究。
　　C/SiC復合材料應用于高比沖軌控發(fā)動機燃燒室將面臨宇宙空間環(huán)境（簡稱空間環(huán)境）和發(fā)動機燃氣環(huán)境的考驗。本文參照相關試驗標準，通過地面模擬試驗，具體包括高真空、超低溫、冷熱交變、冷熱交變及振動耦合、原子氧及紫外輻照等環(huán)境試驗，系統(tǒng)的研究了C/SiC復

3、合材料在空間環(huán)境中的服役特性。研究結果表明：C/SiC復合材料在空間環(huán)境中組成、結構和性能穩(wěn)定。C/SiC復合材料在10-7Pa的真空環(huán)境中保存24h，其質量和力學性能沒有明顯變化；經(jīng)-196℃環(huán)境儲存60天，或經(jīng)-196℃～200℃冷熱交變100次后，C/SiC復合材料力學性能無明顯變化；經(jīng)-100℃～180℃的冷熱交變及加速度達40g的隨機振動耦合環(huán)境考核，由于材料內部的殘余拉應力得到釋放，C/SiC復合材料彎曲強度提高了約20％；

4、在通量達9.6×1015(cm2·s)-1、粒子能量達5eV的原子氧環(huán)境中暴露15h，C/SiC復合材料表面有輕微氧化，但力學性能沒有明顯變化；在波長為100～150nm、輻照度為0.75W/m2的紫外輻照環(huán)境中暴露15h，C/SiC復合材料的組成、結構以及力學性能沒有發(fā)生明顯變化。
　　C/SiC復合材料作為發(fā)動機燃燒室材料，具備良好的耐熱性能是其實現(xiàn)應用的前提。本文首先針對高比沖空間發(fā)動機燃燒室壁溫高達1800℃的高溫熱環(huán)境，

5、研究了C/SiC復合材料在1800℃下的耐熱特性，并針對材料耐熱性能的不足，從降低碳纖維活性及纖維表面保護涂層等方面入手，開展了C/SiC復合材料耐熱性能優(yōu)化研究。研究結果表明：經(jīng)1800℃熱處理1小時后，C/SiC復合材料彎曲強度不足原始強度的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發(fā)生碳熱還原反應而嚴重受損，進而導致C/SiC復合材料強度大幅下降。對比了T300和T1000兩組碳纖維增

6、強SiC陶瓷基復合材料的耐熱特性，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對纖維的侵蝕，兩組復合材料均表現(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對碳纖維的侵蝕。碳纖維表面沉積碳涂層可顯著改善C/SiC復合材料的耐熱性能，碳涂層發(fā)揮了阻擋層和犧牲層的作用。碳涂層保護的C/SiC復合材料經(jīng)

7、1800℃熱處理1小時后，彎曲強度為270MPa，其強度保留率從無纖維涂層樣品的不足20%提高到70%。
　　發(fā)動機燃氣環(huán)境是指發(fā)動機點火工作時產生的高溫、高壓、高速、腐蝕性氣體環(huán)境。本文研究了C/SiC復合材料在高比沖空間軌控發(fā)動機燃氣環(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)動機燃燒室壓力為1.0MPa，發(fā)動機燃氣中心溫度約3100K，燃燒室內壁約1800℃，發(fā)動機累計工作373s后，C/S

8、iC復合材料燃燒室喉部氧化燒蝕嚴重，喉徑擴張率達到4%。C/SiC復合材料在發(fā)動機燃氣環(huán)境中的氧化燒蝕表現(xiàn)為氧化/揮發(fā)與機械沖刷并存的模式。燃氣的熱化學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)產物和氣態(tài)產物都瞬間流失；失去SiC基體的保護，碳纖維在被水汽氧化的同時，還受到高速熱氣流嚴重地機械沖刷。為提高C/SiC復合材料在燃氣環(huán)境中的抗氧化燒蝕性能，設計了在材

9、料表面以化學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熔點分別達到3420℃和2677℃，發(fā)動機工作時，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，可進入ZrO2的裂紋，形成具有良好抗氧化燒蝕特性的ZrO2-SiO2復相玻璃防護層。
　　設計了ZrC的CVD沉積系統(tǒng)，采用螺旋送粉器實現(xiàn)了鋯源的精確供

10、應，確認了有效沉積區(qū)在恒溫區(qū)zone3的位置。優(yōu)化了CVD ZrC涂層的組成及結構，并對優(yōu)化后ZrC涂層的本征性能進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)在1500℃,40kPa下，源氣中C/Zr比為1:1時能夠得到致密、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復合材料、石墨以及CVD SiC的結合強度分別為

11、5.2、4.5和1.5MPa。研究了ZrC涂層組成結構的高溫演變，發(fā)現(xiàn)ZrC涂層中存在的微量ZrO2高溫下能夠進一步與無定形碳發(fā)生碳熱還原反應，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，同時 ZrC涂層表面逐漸呈現(xiàn)層狀臺階形貌，表現(xiàn)出二維形核臺階側向生長特征。
　　氧乙炔焰能夠較好的模擬發(fā)動機燃氣環(huán)境。本文采用氧乙炔焰模擬考核了ZrC涂層對C/SiC復合材料抗氧化燒蝕性能的優(yōu)化