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石墨材料在航天領域的應用及展望
更新時間:2018-01-05 瀏覽數:

2018-01-05 石墨邦

石墨作為一種非金屬的資源礦物,由于其自潤滑性能、易成型加工、有良好的導熱性能、熱穩定性能以及化學性能穩定等特點,在航天領域應用廣泛,如密封材料、喉襯材料等。 本文主要從石墨材料在航天領域的應用以及展望兩個方面進行論述。

1 石墨材料在航天領域的應用

1.1 密封材料

密封材料的性能直接決定密封的可靠性。 隨著科學技術的發展和進步,對密封材料提出了越來越苛刻的要求。由于空間站具有高溫、低溫、高壓、微重力和腐蝕等嚴酷環境變化,空間站的密封材料主要應用于航天器的推進系統,機翼端頭、升降副翼等結構部件的密封,以及液壓系統和氣動系統中的 箱體、閥門等零件的靜密封和動密封,然而,由于發動機軸的旋轉速度快,石墨材料不能滿足對密封材料抗拉強度的要求,因此石墨材料不能用于軸封材料。

(1)柔性石墨材料

上世紀80年代中期,美國成功研制出由天然鱗片石墨深加工制得的柔性石墨材料。 柔性石墨材料由于具有良好的自潤滑性能和熱導率,較小的線膨脹系數和摩擦系數, 以及較大的化學惰性,可替代石棉和橡膠材料,成功應用于高技術領域的密封材料。 柔性石墨材料具有可壓縮性和回彈性高的特點,但強度極低,只能應用于低壓靜密封。 幾種液體火箭發動機的密封材料品種及規格如表1所示。


(2)增強石墨材料

石墨材料密封性能差,需要通過其他材料(如樹脂、金屬等)浸漬石墨以改善其密封性能。

(a)樹脂浸漬:樹脂一般為酚醛樹脂、四氫呋喃以及糠酮樹脂。賈謙等通過研究酚醛樹脂在不同狀態下浸漬石墨材料的摩擦磨損特性,得出結論,液體火箭發動機渦輪泵的密封材料要具有適中的石墨化度;

Song Y Z 等從中間相炭微球(MCMBs)獲得的石墨材料經樹脂和瀝青浸漬,再500 ℃炭化后得到增強材料,通過研究發現,浸漬、炭化周期增加使得材料的孔隙率減少,致密度提高,使得材料的彎曲強度增加,密封性能優異,在液體火箭發動機有著良好的應用前景。

(b)金屬浸漬:金屬浸漬石墨可以保持兩者的優點。 常用的浸漬金屬有銻、銀、鉛以及銅等,國外對銻浸漬石墨材料的物理性能進行測試,相關研究如表2所示。


(c)無機鹽浸漬:石墨材料在300℃以上容易發生氧化反應,使得材料的機械性能變差,利用無機鹽浸漬后,石墨的高溫抗氧化性能明顯提高。山西煤炭化學研究所用13 μm的天然石墨粉、3μm的BN粉、軟化點 175 ℃的瀝青、320μm的石油焦粉以及酚醛樹脂制備密封材料,首先粉末以一定比例混合后熱壓成型,再經過酚醛樹脂浸漬炭化得到的石墨材料,在航空和航天端面密封以及其他減磨材料方面具有廣泛的應用。

(3)各向同性石墨材料

各向同性石墨材料起源于上世紀60年代,與其他石墨材料相比,各向同性石墨材料的綜合性能更優,而且成型工藝也有所不同,一般采用冷等靜壓機為設備,將石油焦以及瀝青焦特殊處理后作為原料,制備的各向同性石墨材料具有抗壓強度以及彎曲強度高、結構均勻致密、密度大、加工處理后密封面精度和光潔度極高、開孔率很低等特點,所以又叫高密高強石墨材料。

俄羅斯采用各向同性熱解石墨材料作為密封材料應用在新一代大推力航天發動機的渦輪泵中。密封環的密封性能良好,目前還未出現過滲漏事故。

目前,原料和成型工藝是各向同性石墨材料研究的關鍵。我國對各向同性石墨材料的開發研究也有30多年,雖然在生產規模、工藝上都有了一些進步,但是和國外相比,還是存在一定的差距。

1.2 喉襯材料

石墨材料的耐高溫性能、抗燒蝕性能以及輕質性能等特點,為其成為小型火箭彈固體火箭發動機(SRM)喉襯材料提供了條件。上世紀40年代末,美國的固體探空火箭率先使用石墨喉襯,后來相繼出現了第一代喉襯材料(ATJ高強石墨材料),第二代喉襯材料(G-90高密高強石墨材料),第三代喉襯材料(Graphnol各向同性石墨材料)。

上世紀60年代初,中科院金屬研究所、西安航天復合材料研究所以及吉林炭素廠共同開發的滲硅KS-8高強石墨材料可作為第一代喉襯材料。KS-8石墨喉襯材料成功解決了由于滲硅層過厚出現的熱裂問題,從那時起,針對SRM研究由基礎轉向型號,為后來喉襯材料奠定了堅實的基礎。KS-8石墨喉襯材料已成功應用到東方紅一號的末級SRM 上。

隨著對SRM各方面要求的不斷提高,石墨喉 襯材料也同樣需要提高其耐燒蝕性能。上世紀60年代中期, 我國第一代喉襯材料T704 高密高強石墨材料由山西煤炭化學研究所、哈爾濱電碳研究所以及西安航天復合材料研究所自主開發成功。上世紀80年代初, 哈爾濱電碳研究所和西安航天復合材料研究所共同開發的T705石墨材料, 耐燒蝕性能得到大幅度改善,已在各種小型戰術彈的SRM喉襯等耐高溫抗氧化部位得到廣泛應用。

T707、T715以及T711石墨材料,具有耐燒蝕性能,也可以作為小型火箭彈SRM的喉襯材料,屬于我國第二代喉襯材料。成都炭素有限公司研制的各向同性CDK-20石墨材料,利用等靜壓成型工藝,可作為小型火箭彈SRM的第三代喉襯材料,正在進行應用研究。國內外喉襯用石墨材料性能對比如表3所示。


除此之外,以粗粒級高強石墨為基材,采用高溫下直接對基材石墨坩堝加壓滲銅工藝制備的石墨滲銅材料(炭/銅復合材料),也作為固體火箭發動機的喉襯材料。

石墨滲銅材料的主要技術指標:

體積密度:1.75~1.80 g/cm3 ;

壓縮強度: ≥38 MPa;

顯氣孔率:≥10%;

灰分:≤0.1%;

石墨化度:≥70%。

滲銅前后材料性能見表4。


1.3 電刷材料

電刷主要用于各種發動機、變流機以及電機 等,要求電刷的導電、耐磨性能以及換向功能良好。電刷主要分為兩種,一種是采用樹脂或煤焦油瀝青當做黏結劑,以石墨粉與金屬粉末為材料,制成的石墨電刷,也叫有色電刷;另一種則是以炭素材料(如石墨粉、焦炭粉等)為主要原材料制成,也叫黑色電刷。下面主要介紹3種電刷。

(1)TD27黑色航空電刷

TD27黑色航空電刷是通過和俄羅斯技術合 作,以及引進振動球磨機、潤滑材料造粒機和雙螺旋連續擠壓機等先進的工藝設備,采用兩階段法生產開發出來的新型航空電刷。 此電刷特點是換向性能好、允許圓周速度適當(達60m/s),額定電流密度大(達30 A/cm2 )以及磨損小。使用該電刷飛機的飛 行高度達兩萬米以上,使用溫度可大于 200 ℃,并具有卓越的“三防”能力。該產品的主要技術性能水平可等同于俄羅斯產品Γ27,說明我國黑色航空電刷的生產制備技術達到了一個新的水平。

(2)TD32X 黑色航空電刷

國產仿法飛機的主發電機QF-4.8使用的電刷是專門研制的TD32X黑色航空電刷?;w材料是DZ型電刷,經過浸漬、填芯等處理加工而成。此電刷的換向性能以及“三防”能力優良,使用壽命大約800 h。該電刷使用壽命大于法國的9020M黑色航空電刷使用壽命。

(3)T2J5 有色航空電刷

適用于大容量航空起動發電機的T2J5有色航空電刷同樣是專門研發的。該電刷換向性能良好,磨擦損耗低,電機使用壽命延長,是原配TJ5電刷的1.5倍。并且該電刷的技術性能遠高于TJ5電刷,達到領先水平。

 2 石墨材料在航天領域應用的展望

2.1 密封材料

石墨由于自身的缺陷,限制了其在航天領域的應用,通過對石墨材料進行改進,使石墨材料獲得具有高強度、高密度、細顆粒、高純度、耐腐蝕、耐高溫以及低污染等特點的結構將是石墨材料的發展方向。為使密封材料更好地滿足航天領域要求,有以下幾個方面需要注意:

(1)進一步加強石墨材料浸漬機理的研究。 了解不同材料浸漬石墨的不同機理,如樹脂固化機理以及金屬滲流模擬的研究,可以進一步匹配原材料和炭石墨制品以及采用適當的浸漬工藝,以達到最好浸漬效果,得到適用于密封的最好石墨材料。

(2)重視原料選擇。通過研究不同原料對石墨性能的影響,從而改善原料自身缺陷,完善材料工藝,降低成本以及縮短生產周期,從而減少能源消耗。

(3)加強應用環境研究。根據不同環境的要求進行相應的研究應用,使其更加細致、具體;與此同時對石墨復合材料進行不斷開發研究,不斷提高其性能,擴大應用范圍。

2.2 喉襯材料

目前喉襯的石墨材料主要是第二代的喉襯材料,但是第二代喉襯材料的石墨基體由于密度較低,燒蝕率較大等缺點,滿足不了所有小型戰術彈高壓強SRM喉襯的要求,因此需要加快開發第三代喉襯材料。

第三代喉襯材料的主要的發展方向是提高材料的抗燒蝕性能及抗熱沖擊性能,以更好地適用于喉襯材料,對此有以下幾個建議:

 (1)選擇針狀石油焦的石墨材料。針狀石油焦的材料具有低熱膨脹系數以及易于石墨化的特點,這樣石墨材料的熱導率和低熱膨脹系數得到提高,進而材料的抗熱沖擊性能也可以得到提高。

(2)適當的最大顆粒尺寸。目前國外抗熱沖擊性能最佳的石墨材料的最大顆粒尺寸為90μm,而國內僅為50μm。因此,如果國內石墨材料的最大顆粒尺寸可以達到90μm左右,抗熱沖擊性能應可以得到完善。

(3)提高石墨化度。提高石墨化溫度可降低熱膨脹系數,提高熱導率,同時提高石墨喉襯材料的抗熱沖擊性能。

(4)適度控制石墨材料的密度。研究發現石墨材料密度越大,其燒蝕性能越低,但是熱膨脹系數也越高,將密度控制在1.80 g/cm3左右,可以在提高材料的抗熱沖擊性能的同時又不會使熱膨脹系數過大。

 2.3 其他材料

石墨在電刷和其他航天領域應用比較少,這就需要不斷開發新型的石墨材料如多功能材料、復合材料、納米材料等,使其擴大在航天領域的應用。

3 結論

中國石墨材料研發水平可以滿足航天產品的基本需求,但產品和國外相比還存在一定的差距,需要科研人員不斷提高石墨產品的綜合性能,以擴大航天服務領域的應用。

來源:炭素技術 作者:王婭楠  劉建軍  韓笑

(西安航天復合材料研究所、西安康本材料有限公司)

石墨邦編輯整理 http://mp.weixin.qq.com/s/_u3-EysVHU63LEQ6sY9sZw


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