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石墨材料在航天领域的应用及展望
更新时间:2018-01-05 浏览数:

2018-01-05 石墨邦

石墨作为一种非金属的资源矿物,由于其自润滑性能、易成型加工、有良好的导热性能、热稳定性能以及化学性能稳定等特点,在航天领域应用广泛,如密封材料、喉衬材料等。 本文主要从石墨材料在航天领域的应用以及展望两个方面进行论述。

1 石墨材料在航天领域的应用

1.1 密封材料

密封材料的性能直接决定密封的可靠性。 随着科学技术的发展和进步,对密封材料提出了越来越苛刻的要求。由于空间站具有高温、低温、高压、微重力和腐蚀等严酷环境变化,空间站的密封材料主要应用于航天器的推进系统,机翼端头、升降副翼等结构部件的密封,以及液压系统和气动系统中的 箱体、阀门等零件的静密封和动密封,然而,由于发动机轴的旋转速度快,石墨材料不能满足对密封材料抗拉强度的要求,因此石墨材料不能用于轴封材料。

(1)柔性石墨材料

上世纪80年代中期,美国成功研制出由天然鳞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润滑性能和热导率,较小的线膨胀系数和摩擦系数, 以及较大的化学惰性,可替代石棉和橡胶材料,成功应用于高技术领域的密封材料。 柔性石墨材料具有可压缩性和回弹性高的特点,但强度极低,只能应用于低压静密封。 几种液体火箭发动机的密封材料品种及规格如表1所示。


(2)增强石墨材料

石墨材料密封性能差,需要通过其他材料(如树脂、金属等)浸渍石墨以改善其密封性能。

(a)树脂浸渍:树脂一般为酚醛树脂、四氢呋喃以及糠酮树脂。贾谦等通过研究酚醛树脂在不同状态下浸渍石墨材料的摩擦磨损特性,得出结论,液体火箭发动机涡轮泵的密封材料要具有适中的石墨化度;

Song Y Z 等从中间相炭微球(MCMBs)获得的石墨材料经树脂和沥青浸渍,再500 ℃炭化后得到增强材料,通过研究发现,浸渍、炭化周期增加使得材料的孔隙率减少,致密度提高,使得材料的弯曲强度增加,密封性能优异,在液体火箭发动机有着良好的应用前景。

(b)金属浸渍:金属浸渍石墨可以保持两者的优点。 常用的浸渍金属有锑、银、铅以及铜等,国外对锑浸渍石墨材料的物理性能进行测试,相关研究如表2所示。


(c)无机盐浸渍:石墨材料在300℃以上容易发生氧化反应,使得材料的机械性能变差,利用无机盐浸渍后,石墨的高温抗氧化性能明显提高。山西煤炭化学研究所用13 μm的天然石墨粉、3μm的BN粉、软化点 175 ℃的沥青、320μm的石油焦粉以及酚醛树脂制备密封材料,首先粉末以一定比例混合后热压成型,再经过酚醛树脂浸渍炭化得到的石墨材料,在航空和航天端面密封以及其他减磨材料方面具有广泛的应用。

(3)各向同性石墨材料

各向同性石墨材料起源于上世纪60年代,与其他石墨材料相比,各向同性石墨材料的综合性能更优,而且成型工艺也有所不同,一般采用冷等静压机为设备,将石油焦以及沥青焦特殊处理后作为原料,制备的各向同性石墨材料具有抗压强度以及弯曲强度高、结构均匀致密、密度大、加工处理后密封面精度和光洁度极高、开孔率很低等特点,所以又叫高密高强石墨材料。

俄罗斯采用各向同性热解石墨材料作为密封材料应用在新一代大推力航天发动机的涡轮泵中。密封环的密封性能良好,目前还未出现过渗漏事故。

目前,原料和成型工艺是各向同性石墨材料研究的关键。我国对各向同性石墨材料的开发研究也有30多年,虽然在生产规模、工艺上都有了一些进步,但是和国外相比,还是存在一定的差距。

1.2 喉衬材料

石墨材料的耐高温性能、抗烧蚀性能以及轻质性能等特点,为其成为小型火箭弹固体火箭发动机(SRM)喉衬材料提供了条件。上世纪40年代末,美国的固体探空火箭率先使用石墨喉衬,后来相继出现了第一代喉衬材料(ATJ高强石墨材料),第二代喉衬材料(G-90高密高强石墨材料),第三代喉衬材料(Graphnol各向同性石墨材料)。

上世纪60年代初,中科院金属研究所、西安航天复合材料研究所以及吉林炭素厂共同开发的渗硅KS-8高强石墨材料可作为第一代喉衬材料。KS-8石墨喉衬材料成功解决了由于渗硅层过厚出现的热裂问题,从那时起,针对SRM研究由基础转向型号,为后来喉衬材料奠定了坚实的基础。KS-8石墨喉衬材料已成功应用到东方红一号的末级SRM 上。

随着对SRM各方面要求的不断提高,石墨喉 衬材料也同样需要提高其耐烧蚀性能。上世纪60年代中期, 我国第一代喉衬材料T704 高密高强石墨材料由山西煤炭化学研究所、哈尔滨电碳研究所以及西安航天复合材料研究所自主开发成功。上世纪80年代初, 哈尔滨电碳研究所和西安航天复合材料研究所共同开发的T705石墨材料, 耐烧蚀性能得到大幅度改善,已在各种小型战术弹的SRM喉衬等耐高温抗氧化部位得到广泛应用。

T707、T715以及T711石墨材料,具有耐烧蚀性能,也可以作为小型火箭弹SRM的喉衬材料,属于我国第二代喉衬材料。成都炭素有限公司研制的各向同性CDK-20石墨材料,利用等静压成型工艺,可作为小型火箭弹SRM的第三代喉衬材料,正在进行应用研究。国内外喉衬用石墨材料性能对比如表3所示。


除此之外,以粗粒级高强石墨为基材,采用高温下直接对基材石墨坩埚加压渗铜工艺制备的石墨渗铜材料(炭/铜复合材料),也作为固体火箭发动机的喉衬材料。

石墨渗铜材料的主要技术指标:

体积密度:1.75~1.80 g/cm3 ;

压缩强度: ≥38 MPa;

显气孔率:≥10%;

灰分:≤0.1%;

石墨化度:≥70%。

渗铜前后材料性能见表4。


1.3 电刷材料

电刷主要用于各种发动机、变流机以及电机 等,要求电刷的导电、耐磨性能以及换向功能良好。电刷主要分为两种,一种是采用树脂或煤焦油沥青当做黏结剂,以石墨粉与金属粉末为材料,制成的石墨电刷,也叫有色电刷;另一种则是以炭素材料(如石墨粉、焦炭粉等)为主要原材料制成,也叫黑色电刷。下面主要介绍3种电刷。

(1)TD27黑色航空电刷

TD27黑色航空电刷是通过和俄罗斯技术合 作,以及引进振动球磨机、润滑材料造粒机和双螺旋连续挤压机等先进的工艺设备,采用两阶段法生产开发出来的新型航空电刷。 此电刷特点是换向性能好、允许圆周速度适当(达60m/s),额定电流密度大(达30 A/cm2 )以及磨损小。使用该电刷飞机的飞 行高度达两万米以上,使用温度可大于 200 ℃,并具有卓越的“三防”能力。该产品的主要技术性能水平可等同于俄罗斯产品Γ27,说明我国黑色航空电刷的生产制备技术达到了一个新的水平。

(2)TD32X 黑色航空电刷

国产仿法飞机的主发电机QF-4.8使用的电刷是专门研制的TD32X黑色航空电刷。基体材料是DZ型电刷,经过浸渍、填芯等处理加工而成。此电刷的换向性能以及“三防”能力优良,使用寿命大约800 h。该电刷使用寿命大于法国的9020M黑色航空电刷使用寿命。

(3)T2J5 有色航空电刷

适用于大容量航空起动发电机的T2J5有色航空电刷同样是专门研发的。该电刷换向性能良好,磨擦损耗低,电机使用寿命延长,是原配TJ5电刷的1.5倍。并且该电刷的技术性能远高于TJ5电刷,达到领先水平。

 2 石墨材料在航天领域应用的展望

2.1 密封材料

石墨由于自身的缺陷,限制了其在航天领域的应用,通过对石墨材料进行改进,使石墨材料获得具有高强度、高密度、细颗粒、高纯度、耐腐蚀、耐高温以及低污染等特点的结构将是石墨材料的发展方向。为使密封材料更好地满足航天领域要求,有以下几个方面需要注意:

(1)进一步加强石墨材料浸渍机理的研究。 了解不同材料浸渍石墨的不同机理,如树脂固化机理以及金属渗流模拟的研究,可以进一步匹配原材料和炭石墨制品以及采用适当的浸渍工艺,以达到最好浸渍效果,得到适用于密封的最好石墨材料。

(2)重视原料选择。通过研究不同原料对石墨性能的影响,从而改善原料自身缺陷,完善材料工艺,降低成本以及缩短生产周期,从而减少能源消耗。

(3)加强应用环境研究。根据不同环境的要求进行相应的研究应用,使其更加细致、具体;与此同时对石墨复合材料进行不断开发研究,不断提高其性能,扩大应用范围。

2.2 喉衬材料

目前喉衬的石墨材料主要是第二代的喉衬材料,但是第二代喉衬材料的石墨基体由于密度较低,烧蚀率较大等缺点,满足不了所有小型战术弹高压强SRM喉衬的要求,因此需要加快开发第三代喉衬材料。

第三代喉衬材料的主要的发展方向是提高材料的抗烧蚀性能及抗热冲击性能,以更好地适用于喉衬材料,对此有以下几个建议:

 (1)选择针状石油焦的石墨材料。针状石油焦的材料具有低热膨胀系数以及易于石墨化的特点,这样石墨材料的热导率和低热膨胀系数得到提高,进而材料的抗热冲击性能也可以得到提高。

(2)适当的最大颗粒尺寸。目前国外抗热冲击性能最佳的石墨材料的最大颗粒尺寸为90μm,而国内仅为50μm。因此,如果国内石墨材料的最大颗粒尺寸可以达到90μm左右,抗热冲击性能应可以得到完善。

(3)提高石墨化度。提高石墨化温度可降低热膨胀系数,提高热导率,同时提高石墨喉衬材料的抗热冲击性能。

(4)适度控制石墨材料的密度。研究发现石墨材料密度越大,其烧蚀性能越低,但是热膨胀系数也越高,将密度控制在1.80 g/cm3左右,可以在提高材料的抗热冲击性能的同时又不会使热膨胀系数过大。

 2.3 其他材料

石墨在电刷和其他航天领域应用比较少,这就需要不断开发新型的石墨材料如多功能材料、复合材料、纳米材料等,使其扩大在航天领域的应用。

3 结论

中国石墨材料研发水平可以满足航天产品的基本需求,但产品和国外相比还存在一定的差距,需要科研人员不断提高石墨产品的综合性能,以扩大航天服务领域的应用。

来源:炭素技术 作者:王娅楠  刘建军  韩笑

(西安航天复合材料研究所、西安康本材料有限公司)

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