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《国防科学技术大学》 2007年
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氮化物陶瓷基耐烧蚀、透波复合材料及其天线罩的制备与性能研究

李斌  
【摘要】: 天线罩是高超音速导弹的关键部件之一,必须具备防热、透波、承载等多种功能,以满足导弹制导系统正常工作的需要。本文在全面综述国内外航天透波材料和烧蚀材料研究进展的基础上,以研制功能分离式高超音速导弹天线罩为目标,针对不同功能区对材料性能的不同要求,对各功能区的材料体系进行了设计,合成了新型的氮化物陶瓷先驱体混杂聚硼硅氮烷(H-PBSZ),通过先驱体浸渍—裂解(PIP)工艺制备了碳纤维增强氮化物(CFRN)耐烧蚀复合材料和石英纤维增强氮化物(SFRN)透波复合材料,并对烧蚀材料表面涂层的制备进行了初步探索。在此基础上,实现了不同功能区材料的整体成型,并制备出了全尺寸的整体天线罩构件。 合成了新型氮化物陶瓷先驱体H-PBSZ,并对其交联和裂解过程进行了研究。分别合成硼吖嗪和全氢聚硅氮烷,使二者在一定条件下聚合,得到H-PBSZ。H-PBSZ结构中含有N-H、B-H、Si-H、B-N以及Si-N等化学键,在低温密闭环境中保持稳定。H-PBSZ在受热时会实现交联固化,交联过程中增大反应室气压可减小所放出的气泡的体积,并减缓其上升的速度,使交联反应平稳进行;同时可抑制放气反应的进行,减少气体的放出量,从而有效地抑制先驱体的“发泡”现象。H-PBSZ的交联产物可在氨气中发生高温裂解,随着裂解温度的升高,裂解产物的结晶度和稳定性均随之提高,1600℃实现完全陶瓷化,陶瓷产率约83wt%。H-PBSZ的最终裂解产物为BN和Si_3N_4的混合物。H-PBSZ是一种合适的PIP陶瓷先驱体。 首次以H-PBSZ为先驱体,通过PIP工艺制备了3D CFRN复合材料。在PIP工艺循环过程中,随着循环次数的增加,复合材料的密度逐渐增大,孔隙率逐渐减少,4个PIP循环后复合材料基本达到致密;力学性能逐渐提高,弯曲强度和弹性模量均逐渐增大;烧蚀性能明显改善。在交联过程中,随着交联气压的升高,先驱体的“发泡”现象得到有效抑制,复合材料的密度及综合性能得以提高。交联气压为8MPa时,3D CFRN复合材料的密度达1.65g/cm~3。当裂解温度从800升至1300℃时,3D CFRN复合材料的密度及力学性能均随之提高。裂解温度的不同对先驱体的浸渍效率及所得复合材料的致密度无明显影响。2100℃热处理后,3DCFRN复合材料基体中的Si_3N_4已经分解,纤维与基体间发生了严重的界面反应,生成了B_4C以及SiC,复合材料的力学性能严重下降。 考察了3D CFRN复合材料的烧蚀性能,并对烧蚀过程中材料结构和形貌的变化进行了分析。在烧蚀的过程中,氮化物基体对碳纤维提供了有效的保护,使复合材料显示出了良好的烧蚀性能。T300和T700两种碳纤维增强的3D CFRN复合材料的烧蚀性能基本相同。在轨道模拟烧蚀试验中,氮化物基体表现出了优于碳纤维的耐烧蚀性能。烧蚀之后,3D CFRN复合材料烧蚀表面的Si_3N_4发生了分解,BN以及碳纤维发生了晶化。3D CFRN复合材料的烧蚀是一个热化学烧蚀与机械剥蚀相结合的过程。 研究了碳纤维种类及纤维表面处理对3D CFRN复合材料力学性能的影响。T300和T700两种碳纤维增强的3D CFRN复合材料的力学性能显著不同。与T300相比,T700增强的复合材料强度更高,韧性更好,断口中可观察到大量的纤维拔出。二者力学性能的差别归因于不同的纤维表面状态及由此导致的纤维/基体界面结合强度的差异。400℃空气表面氧化处理和1000℃惰性气氛热处理均可去除碳纤维的表面胶,且能够使纤维保留足够的强度。纤维的表面氧化处理可提高T700增强3D CFRN复合材料的力学性能,但对T300增强3D CFRN复合材料的力学性能不利;纤维的热处理对3D CFRN复合材料的力学性能无显著影响。复合材料力学性能的改变归因于表面处理所带来的纤维/基体界面结合状态的变化。采用空气氧化处理的T700纤维增强,高压交联,800℃裂解制备的3D CFRN复合材料弯曲强度为268.4MPa,弹性模量为67.6GPa。 对3D CFRN复合材料表面抗侵蚀涂层的制备进行了初步研究。选取涂层成分为SiC,制备工艺为化学气相沉积(CVD)。合成了新型的CVD SiC先驱体液态碳硅烷,其结构中不含腐蚀性元素。以液态碳硅烷为先驱体进行沉积时,无腐蚀性副产物。随着沉积温度的升高,先驱体的裂解逐渐完全,900℃可沉积得到较纯净的部分结晶的SiC;当载气的流量较低时,可沉积得到SiC涂层,载气流量过高时,沉积产物为SiC纳米粉体。3D CFRN复合材料表面的CVD SiC涂层致密、坚硬,显微硬度达2800~3200 kgf/mm~2(HV)。SiC涂层的存在可有效地改善3D CFRN复合材料的烧蚀性能。 采用H-PBSZ先驱体转化工艺制备了3D SFRN复合材料。高压交联工艺制备的3D SFRN复合材料与常压交联相比,综合性能显著提高,密度提高了8%,弯曲强度及弹性模量分别提高了35.5%和102.4%,氧—乙炔线烧蚀率下降了26.7%。随着裂解温度的升高,石英纤维的脆化加剧,3D SFRN复合材料的力学性能逐渐下降。高压交联、800℃裂解制备的3D SFRN复合材料的密度达1.83g/cm~3,弯曲强度为148.2MPa,弹性模量为41.5GPa,氧—乙炔线烧蚀率为0.11mm/s,质量烧蚀率为1.07×10~(-2)g/s。不同工艺条件制备的3D SFRN复合材料的介电性能较为稳定,介电常数为3.31~3.34,损耗角正切为3.8~4.9×10~(-3)。 以功能分离式整体天线罩的整体成型为目标,对各功能区的材料体系和制备工艺进行了优化设计。不同功能区的候选材料3D CFRN和3D SFRN复合材料的热膨胀系数相近,在制备过程中和烧蚀试验过程中,均具有良好的相容性。根据具体应用环境,确定天线罩材料的增强织物采用2.5D编织结构,可兼顾材料经、纬两向的力学性能;烧蚀—承载功能区为混杂纤维增强氮化物(2.5D HFRN)复合材料,其中经纱为碳纤维,纬纱为石英纤维,透波功能区为石英纤维增强氮化物(2.5D SFRN)复合材料。以H-PBSZ为先驱体,采用PIP工艺进行复合材料制备。2.5D HFRN复合材料的经向弯曲强度为259.1MPa,弹性模量为65.3GPa,断裂韧性10.78MPa·m~(1/2),热导率和比热分别为1.20W/m·K和0.80 kJ/kg·K,氧—乙炔线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.058mm/s和5.52×10~(-3)g/s。2.5D SFRN复合材料的经向弯曲强度为142.7MPa,弹性模量为40.3 GPa,热导率和比热分别为0.80W/m·K和0.81 kJ/kg·K,氧—乙炔线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.107mm/s和1.06×10~(-2)g╱s,介电常数和损耗角正切值分别为3.34和4.0×10~(-3),在7.5~18.5 GHz的频段内透波率大于70%。二者的综合性能优异,可满足高超音速导弹天线罩正常工作的要求。 分析了天线罩构件的制备流程,优化了PIP工艺参数,选择了合适的机械加工时机,实现了各功能区的整体成型,制备出了外形、尺寸精确的大尺寸异型薄壁高超音速导弹天线罩构件。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TB332

【引证文献】
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6 王跃明;钨及钨合金零部件等离子喷涂近净成形技术研究[D];中南大学;2011年
7 李昭锐;PAN基碳纤维表面物理化学结构对其氧化行为的影响研究[D];北京化工大学;2013年
8 侯杨;纳米粉体对ZrB_2基超高温陶瓷的制备及性能影响研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
9 高孟姣;C/C复合材料的基体改性及其抗氧化研究[D];上海大学;2013年
10 徐晓亮;热防护机理与烧蚀钝体绕流的涡方法研究[D];北京交通大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张丹丹;大电流下铜合金电极烧蚀性能研究[D];燕山大学;2012年
2 相华;化学液相浸渗法制备C/C-TaC复合材料及其烧蚀性能研究[D];西北工业大学;2006年
3 王智博;ZrC-SiC添加LaB_6复相陶瓷的微观组织与性能研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
4 赵磊;添加碳化钽炭/炭复合材料的制备及其性能研究[D];中南大学;2007年
5 严波;PIP法制备碳纤维增强碳化硅复合材料及其烧蚀性能的研究[D];南京航空航天大学;2008年
6 刘丹;(ZrO_(2(p))+SiO_(2(sf)))/酚醛复合材料成型工艺及性能的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
7 李冰清;Al20Si/Gr耗散防热材料氧—乙炔和发动机燃烧室烧蚀性能研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
8 王其坤;C/SiC-Cu复合材料制备工艺与性能研究[D];国防科学技术大学;2005年
9 李阳;航天器TPS用耐高温烧蚀修复剂研究[D];南京航空航天大学;2011年
10 高迪;酚醛树脂浸渍碳纤维三维编织体的成型与烧蚀行为研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
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